Ричард Мюллер

Сейчас. Физика времени

Richard A. Muller

NOW

THE PHYSICS OF TIME

Научный редактор Азат Гизатулин

Издано с разрешения автора при содействии Brockman, Inc.

Все права защищены.

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

© 2016 by Richard A. Muller. All rights reserved

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

* * *

Введение

Сейчас – это таинственное и эфемерное мгновение, меняющее свое значение каждый миг, – вполне оправданно ставило в тупик священников, философов и физиков. Понимание сейчас требует знания законов относительности, энтропии, квантовой физики, антивещества, обратного движения во времени, квантовой запутанности, Большого взрыва и темной энергии. Только сейчас в нашем распоряжении есть достижения физики, которые позволят понять, что же это все-таки такое – сейчас.

Ускользающее значение этого понятия долгое время было камнем преткновения в физике. Сегодня мы знаем, что такое замедление времени, возникающее под воздействием скорости и гравитации, и даже обратный его ход, согласно теории относительности, и все же ничего не добились в объяснении самого удивительного свойства времени – его течения и толкования слова сейчас. Фундаментальная физическая картина мира, известная как «пространственно-временная диаграмма», не дает ответа на эти вопросы. Физики иногда превратно считают отсутствие ответов доказательством и делают вывод, что течение времени – всего лишь иллюзия. Но это отступление перед природой. Пока нам будет неясно значение слова сейчас, невозможен прогресс в понимании времени – основополагающего аспекта окружающего мира.

В этой книге я постарался собрать воедино все современные достижения физики и сложить из них пазл, чтобы прояснить картину сейчас. К тому же пришлось убрать из головоломки элементы, ошибочно помещенные в некоторые ячейки.

Широкое понимание физики объясняет, почему до сих пор не удавалось решить ребус с толкованием сейчас. Физика не проста и не линейна, поэтому в книге приходится касаться огромного материала, которого, возможно, даже многовато для отдельного издания. Не стесняйтесь листать страницы вперед и назад, возвращаясь к идеям и концепциям, которые вы пропустили. Вообще все содержание этого труда вполне можно воспринимать как тайну, по мере приближения к которой проявляются некоторые ключи, способные приоткрыть завесу над ней.

По специальности и научной практике я прежде всего физик-экспериментатор: конструирую и использую опытное оборудование, чтобы раскрывать спрятанные от нас физические истины. Два моих проекта непосредственно связаны с пониманием времени: измерение остаточного микроволнового (реликтового) излучения, сохранившегося после Большого взрыва, и точное измерение прошлого расширения Вселенной, включая открытие темной энергии, которая обусловливает ускорение этого расширения. Должен признаться, что написал немало чисто теоретических работ, но только тогда, когда не хватало ассигнований на эксперименты или если я считал существовавшие теории ошибочными. Насколько мне известно, настоящая книга – единственная посвященная проблеме времени, которую написал физик, глубоко вовлеченный в экспериментальные исследования. Ниже я поделюсь мыслями относительно того, с какими трудностями и разочарованиями сталкиваются ученые в ходе таких разработок.

Путь к пониманию категории сейчас требуется разделить на пять частей.

Часть I, «Удивительное время», я начинаю с обсуждения вполне устоявшихся, но тем не менее удивительных аспектов понимания времени, которые в основном были открыты Альбертом Эйнштейном. Время не просто растягивается, замедляется и поворачивает вспять; подобным поведением оно затрагивает нашу повседневную жизнь. Работа GPS, навигационной системы, которая позволяет ориентироваться на местности и не заблудиться, целиком основана на уравнениях теории относительности Эйнштейна и на указанных выше странных, на первый взгляд, свойствах времени. Именно теория относительности позволила представить четырехмерный пространственно-временной континуум. Самый важный вывод части I: мы знаем о времени достаточно много, и хотя его природа непроста, она весьма определенна. Скорость течения времени зависит от скорости движения объектов и гравитации. Даже порядок возникновения событий – какое из них назвать первым – не универсальная истина. Более того, теория относительности Эйнштейна дает много структурных компонентов, необходимых для понимания нашего сейчас.

В части II, «Сломанная стрела», я убираю одну из деталей головоломки, которая ранее ошибочно была помещена в неподходящее для нее место. Эта деталь больше других сдерживала продвижение мысли в понимании сейчас. Речь идет о теории Артура Эддингтона[1], претендующей на определение направления течения времени: согласно этой теории, время идет от прошлого к будущему, и никогда не наоборот. Я сначала изо всех сил пытаюсь оправдать этот постулат и только потом разбираю его фатальные ошибки.

Эддингтон приписывал течению времени возрастание энтропии[2], меры хаоса во Вселенной. Сейчас мы знаем об энтропии во Вселенной гораздо больше, чем Эддингтон в 1928 году, когда предложил свою теорию. Я постараюсь доказать, что этот ученый был неправ. Именно течение времени увеличивает энтропию, а не наоборот. Энтропия не вызывает диктатуры, которую часто ей приписывают. Контроль над путями развития энтропии оказывается очень важным для нашего понимания сейчас.

Часть III, «“Жуткая” физика», знакомит читателя с еще одним важным элементом, необходимым для понимания сейчас, – таинственной квантовой физикой. Эта часть науки – пожалуй, наиболее успешная теория всех времен: в ней соотношение между предсказаниями ученых и наблюдениями составляет 10:10. Тем не менее квантовая теория одновременно и сбивает с толку, и внушает беспокойство. Неуловимые квантовые волны и попытки их измерения грубо противоречат теории относительности Эйнштейна. Их нельзя обнаружить или каким-то образом использовать. Поведение квантовых волн бросает вызов нашему ощущению реальности и расширяет его, что очень пригодится в толковании сейчас. Наиболее интригующим (а возможно, и освобождающим наше мышление) следствием квантовой физики становится то, что прошлое больше не определяет будущее или определяет не полностью. Некоторые аспекты квантовой физики, в особенности такое странное явление, как квантовая запутанность[3], были подтверждены экспериментально, и эти (удивительные!) результаты экспериментов дают основание полагать, что ограниченная способность предсказывать будущие события навечно останется одним из фундаментальных слабых мест физики как науки.

В части IV, «Физика и реальность», я исследую пределы физики. Не беспокойтесь – время и сейчас не выходят за эти пределы. Они начинаются в физике, но наше восприятие их зависит от нашего же ощущения реальности, которое простирается за границы физики. Математика представляет собой реальный мир, который невозможно подтвердить физическими экспериментами. Даже такую простую вещь, как иррациональность √2. Но есть другие явления, вполне реальные и не относящиеся к области физики. Например, вопросы типа: как выглядит голубой цвет? Отрицание нефизических и нематематических истин было названо физикализмом[4]. Он основан на вере и обладает всеми недостатками религии. К счастью, вопреки страстным надеждам Эйнштейна, современные доказательства подводят нас к тому, что физика – наука не полная, и она никогда не будет в состоянии описать всю нашу реальность.

В части V, «Сейчас», все детали сходятся в законченный пазл. Он дает объединенную картину того, что время течет, и раскрывает значение эфемерного момента, который мы называем сейчас. Решение кроется в четырехмерном понимании Большого взрыва. Взрывы во Вселенной создают не только новое пространство, но и новое время. Передняя ближайшая к нам граница времени и есть то, что мы называем сейчас, а течение времени – постоянный процесс создания новых сейчас. Мы ощущаем каждый момент отличным от предшествующих, потому что он – единственный, в котором можно сделать выбор и испытать свободу воли, влияя на собственное будущее и изменяя его. Вопреки утверждениям классических философов, мы исходим из того, что свобода воли совместима с физикой. Те же, кто утверждает обратное, обрекают себя на веру в религию физикализма. Мы можем влиять на будущее, используя не только научное, но и ненаучное знание (сопереживание, добродетель, этические нормы, честность, справедливость).

Я исследую три возможные четырехмерные модели движения времени. Наблюдаемое сейчас ускорение расширения Вселенной, связанное с темной энергией[5], должно сопровождаться увеличением скорости течения времени. Эта теория предполагает, что нынешнее время бежит быстрее, чем прошлое. На основании этого можно решить, что произойдет новое и, возможно, наблюдаемое замедление времени, новое космологическое красное смещение. Это способно повлиять на наше представление о начале Большого взрыва и эре инфляционной модели Вселенной[6], то есть том периоде ее расширения, который мы можем исследовать, обнаруживая появившиеся во время взрыва гравитационные волны, а их уже опосредованно изучать на явлении вращения плоскости поляризации микроволнового излучения[7].

Третья модель была задумана, когда в 2016 году международное исследовательское сообщество LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) сообщило об обнаружении на своих установках уникального явления – слияния двух черных дыр. Такие события создают новое пространство во Вселенной, а также, в соответствии с теорией четырехмерного пространства-времени, и новое время. Это время течет медленнее, если последующие события масштабнее по размеру, ближе к нам и излучают более сильный сигнал.

Для тех, кто интересуется математикой, подробности теории относительности и ее математический аппарат показаны в приложениях.

Давайте приступим к сбору нашего пазла.

Часть I

Удивительное время

Глава 1

Запутанная тайна

Великие философы имели весьма разноречивые и путаные представления о времени, но физика дала надежду на то, что мы поймем его

Время летит, как ветер;

Фрукты летят, как бананы.

Детская считалка

Вот вам факт о вас самих, который мало кто знает. Возможно, даже никто, кроме вас. Он состоит в том, что именно сейчас вы читаете эту книгу. Я могу быть даже более точным: именно сейчас вы читаете слово сейчас.

Более того, вы знаете, что это правда, хотя я об этом не знал и до сих пор не знаю. Вы читаете слово сейчас именно сейчас, а мне этот факт совершенно неизвестен, если только я не стою за вашей спиной и вы не указываете пальцем на те слова, которые прочитываете.

Сейчас – это очень простое и одновременно удивительное и таинственное понятие. Вы знаете, что оно означает, но его значение трудно объяснить без постоянного хождения по кругу. «Сейчас – это момент времени, который отделяет прошлое от будущего». Хорошо, а теперь попытайтесь дать определение прошлому и будущему, не используя слово сейчас. То, что вы подразумеваете под «прошлым» и «будущим», постоянно меняется. Только недавно чтение вами этого абзаца лежало в плоскости будущего. Сейчас большая часть этого события уже в прошлом.

Теперь уже весь абзац в прошлом (если только вы не пропускаете строчки). Сейчас относится ко вполне определенному времени. Но это время беспрерывно меняется. Именно поэтому мы используем часы. Они сообщают нам цифры, связанные с сейчас. Цифры называют «настоящее», или «реальное» время. Часы обновляют его непрерывно, обычно ежесекундно. Движение времени неостановимо. Мы можем занимать одно и то же место в пространстве, но не во времени. Мы движемся во времени, но не контролируем этот процесс. Конечно, если только путешествия во времени не станут возможными.

Смысл сейчас – одна из многих тайн, заключенных в этом странном явлении, которое называется временем. Замечательно, что сегодня мы так много знаем о нем, особенно благодаря причудливым и сверхъестественным понятиям, связанным с теорией относительности Эйнштейна. Но настолько же очевидно и то, что мы так мало знаем о фундаментальных характеристиках времени: что это вообще такое и как оно связано с окружающей нас реальностью. Эта книга – о времени. О том, что мы о нем знаем и чего не знаем.

Течет ли время? В 5 часов 12 минут утра 18 апреля 1906 года в Сан-Франциско произошло страшное землетрясение. Время этого природного катаклизма не изменилось; вы можете прочесть о нем в «Википедии». То, что течет, движется, – это наше понимание сейчас. Сейчас движется, изменяется и продвигается во времени.

Или, может быть, имеет больший смысл говорить, что время течет мимо этого сейчас. Вообще описать смысл слова «движение» довольно трудно. Говоря, что движется автомобиль, мы замечаем его положение в один момент времени и затем – в другой момент времени. Скорость движения машины будет определяться делением расстояния на время, которое заняло его покрытие. Например, это может быть столько-то миль в час. Такой подход к описанию сейчас никуда не годится. Сейчас – это именно сейчас. Остановитесь на секунду, и сейчас останется именно сейчас. Разве это сейчас движется? Да, ход времени иллюстрируется тем обстоятельством, что значение сейчас постоянно меняется. С какой же скоростью движется время? Со скоростью секунда в секунду.

Есть еще третий взгляд. Он состоит в том, что каждый момент генерируется новое время, и именно это вновь возникшее время – то самое сейчас. Лежат ли в основе этих взглядов философские либо физические различия? Можно ли свободно выбирать один из них или в том или ином больше истины и смысла, чем в других? Этот вопрос мы также исследуем на страницах книги.

Давайте предположим, что время остановилось. Вы заметите это? Каким образом? Или, например, оно унеслось скачками вперед или изменило скорость своего движения каким-то другим образом. Сможете обнаружить разницу? Это, пожалуй, нелегко; по крайней мере, если бы вы использовали то изображение времени, которое часто встречается в кинематографе. Например, в фильмах «Темный город»[8], «Клик: с пультом по жизни»[9], «Интерстеллар»[10] или «Лара Крофт: расхитительница гробниц»[11]. Восприятие нами момента сейчас, судя по всему, определяется количеством миллисекунд, необходимых для того, чтобы наши глаз, ухо или кончики пальцев послали в мозг сигнал, который он заметит, запечатлеет и запомнит. Для человеческого существа это несколько десятых секунды, для мухи – несколько тысячных секунды. Кстати, поэтому так трудно ловить мух. Для мухи ваша рука приближается словно в замедленной съемке, совсем как в фильме «Останавливающие время»[12].

Скорость течения времени вопрос не только научной фантастики. Теория относительности дает некоторые вполне определенные примеры этого, скажем, в парадоксе о близнецах[13]. Тот близнец, который путешествует в пространстве со скоростью, близкой к скорости света, испытает более медленное течение времени, чем его брат, оставшийся на Земле. Оба одинаково ощутят течение времени, но его скорость для каждого будет разная. Ниже мы изучим этот странный парадокс детальнее.

Надежда на эвентуальное (возможное при соответствующих условиях, обстоятельствах. Прим. ред.) понимание сейчас основывается на том гигантском прогрессе, который сделала физика в XX веке. Но сейчас давайте вернемся в прошлое, чтобы взглянуть на сложности, с которыми сталкивались в этом вопросе древние.

Не поддающееся описанию сейчас

Труд Аристотеля под названием «Физика»[14] доминировал в науке вплоть до Возрождения. Это была научная библия средневековой католической церкви. Отрицание некоторых положений Аристотеля привело Галилея к суду инквизиции. Четыре части своей «Физики» автор посвятил разбору идей о времени и сейчас и в результате сам оказался совершенно сбитым с толку. Он писал:

«Сейчас» не часть чего-то, поскольку часть есть мера целого, которое должно состоять из частей. Время же нельзя себе представить состоящим из многих «сейчас». Кроме того, «сейчас», которое кажется связывающим прошлое и будущее, – остается ли всегда одним и тем же или все время становится другим? Трудно ответить. Если оно все время другое и другое, и если разные части времени не одновременны (если только одна не содержит другую, а другая не содержится в первой, как более короткое время содержится в более длинном), и если «сейчас», которого нет, но которое существовало в прошлом и прекратило свое существование, то многие «сейчас» не могут существовать одновременно с другими, а предшествующее «сейчас» всегда должно прекращать свое существование[15].

Глубоки эти мысли или просто запутанны? Пытаясь быть точным в отношении сейчас, Аристотель запутывается в собственных словах. Мы до известной степени можем успокаивать себя тем, что даже такой почитаемый мыслитель находил этот вопрос непостижимым.

Блаженный Августин[16] в своей «Исповеди»[17] жаловался на неспособность понять, что такое течение времени. Он писал:

Что есть время? Если никто не спрашивает меня об этом, я знаю ответ; если я хочу объяснить это, то ничего не знаю.

Это сетование, написанное в V веке до н. э., отзывается и в нашем, XXI веке. Да, мы знаем, что представляет собой время. Так почему же не можем описать его? Каким тогда знанием о времени мы располагаем?

Загадка Августина частично проистекает из его утверждения о том, что Бог всемогущ, всеведущ и вездесущ. Из этого следует удивительное дополнительное заключение: Бог должен быть безвременен. Эта замечательная мысль подготовила основу для современной физики, описывающей поведение вещей пространственно-временными диаграммами, в которых ничего не сообщается о том, что время течет или что сейчас существует.

Для человека, говорит Августин, нет прошлого или будущего, а есть только три настоящих: «настоящее прошлых вещей, то есть память; настоящее существующих вещей – зрение; и настоящее вещей будущих – ожидание». (Не воодушевило ли это утверждение Диккенса на его «Рождественскую песнь в прозе: святочный рассказ с привидениями»[18]?) Однако в других словах Августина сквозит неудовлетворенность таким объяснением. Он говорит: «Мое сердце жаждет раскрыть эту самую запутанную загадку».

Альберт Эйнштейн тоже был озабочен идеей сейчас. Философ Рудольф Карнап[19] пишет в своей Intellectual Autobiography («Интеллектуальной биографии»):

Эйнштейн сказал, что проблема «сейчас» серьезно его беспокоит. Он объяснил, что испытание этого «сейчас» становится для человека чем-то особенным, принципиально отличающимся от прошлого и будущего, но это важное отличие возникает не в рамках физики. Тот факт, что этот опыт человека не может быть понят наукой, казался ему болезненной, но неизбежной уступкой природе. Он сделал вывод: «Вокруг проблемы “сейчас” существует нечто очень важное, что, однако, лежит вне сферы досягаемости науки».

Карнап не соглашается с этим заключением Эйнштейна, заявляя: «Поскольку, в принципе, наука может сказать все, что только может быть сказано, вопросов, оставшихся без ответов, не может быть». Однако человек, не соглашающийся с Эйнштейном, должен быть очень осторожен. Его раздумья, на первый взгляд, легко отвергнуть как эмоциональные и принять за не такие глубокие, как наши. Однако простые по форме утверждения Эйнштейна никогда нельзя отождествлять с простотой его мысли. Философы иногда убеждают себя, что достигают большой глубины мышления, когда пользуются вычурно-искусственными оборотами типа «хроногеометрический[20] фатализм» (что, по существу, просто признание постоянства скорости света). Эйнштейн же, напротив, умел сказать серьезные вещи так, что их мог понять даже ребенок. Эта способность сделала его одним из самых цитируемых ученых всех времен.

Некоторые теоретики, вместо того чтобы воспринимать отсутствие понятия течения времени (как это делал Эйнштейн), понимают это как указание на существование какой-то более глубокой истины. Например, известный современный физик-теоретик, профессор Колумбийского университета Брайан Грин в книге The Fabric of the Cosmos[21] утверждает, что «теория относительности объявляет нашу Вселенную эгалитарной (уравнительной. Прим. ред.), в которой каждый момент так же реален, как и любой другой». Он повторяет за Августином, что «в нас живет постоянная иллюзия прошлого, настоящего и будущего». Грин утверждает, что, поскольку теория относительности ничего не говорит о течении времени, такое течение должно быть всего лишь иллюзией, а не частью реальности. Для меня эта логика превратна. Подобный подход подразумевает, что вместо требования от теории объяснения наших наблюдений мы должны подгонять наблюдения под теорию.

Атеисты высмеивали Эйнштейна за то, что в свои последние годы он «отходил от физики», пристрастившись к религии. Но им не удавалось развеять его озабоченность тем, что наука неспособна дать ответы на фундаментальные вопросы мироздания: что такое течение времени и что такое сейчас. Многие ученые убеждены: то, что не может быть доказано физикой, нельзя считать частью окружающей нас реальности. А можно ли проверить подобные утверждения? Или они также представляют собой своеобразные религиозные верования? Философы назвали подобные догмы физикализмом. Есть ли у нас способ проверить и доказать, что физика может объяснить все явления в природе? Или такой веры ожидают от любого физика, как всегда, неформально, но жестко требуя принадлежности к христианству от любого потенциального кандидата на пост президента США? Если вы не согласны с физикализмом, то не рискуете ли быть осмеянным за свой сдвиг в сторону религии, как это произошло с Эйнштейном?

Сэр Артур Эддингтон уважаем среди физиков за большой вклад в науку – как в теорию, так и в экспериментальные исследования. Но больше всего его помнят по теории стрелы времени[22] и за объяснения того таинственного обстоятельства, что мы помним прошлое, но не будущее. И даже несмотря на то, что Эддингтон предложил объяснение направления времени, он не понимал факта его течения. В книге The Nature of the Physical World («Природа физического мира», 1928) он писал: «Великое свойство времени заключается в том, что оно идет вперед». И тут же сожалел: «Но это именно тот аспект времени, который физики иногда склонны отрицать».

В работе A Brief History of Time[23] Стивен Хокинг[24] даже не упоминает о загадке понятия сейчас. Его книга сосредоточена в основном на том, что мы знаем о времени и в чем современные теории ошибаются. Хокинг говорит о стреле времени, но не о его течении; об относительности времени, но не о тайне сейчас. Почти все последние книги, посвященные проблеме времени, в этом похожи на книгу Хокинга. Они делают акцент на возможные теории, которые объединили бы физические уравнения, а не на концепции, разъясняющие значение сейчас и течение времени.

Но в жизни всегда есть место надежде.

Нарушенная симметрия

Подход к пониманию концепции сейчас отправляет нас в путешествие по просторам абстрактной и удивительной физики, физики времени, смысла реальности и современных исследований свободы воли.

Мы начнем с обсуждения замечательного и странного поведения времени, которое граничит с невероятным, но между тем вполне определенно. Важнейшие прорывы в этом отношении были сделаны в начале 1900-х годов, когда Эйнштейн установил, что скорость течения времени зависит от скорости передвижения объекта и гравитации. Время эластично, растяжимо и даже способно на обратное течение. Эти его свойства настолько значительны, что используются в современных спутниках GPS[25]. Если бы в системе GPS не применялись открытия Эйнштейна, такие спутники ошибались бы в определении нашего местоположения на много километров. У вас есть мобильный телефон? Тогда в кармане вы носите прибор, использующий теорию относительности.

Самые странные свойства времени обнаруживаются в черных дырах – тех таинственных объектах, которые сейчас ученые находят по всей Вселенной. Если вы упадете в черную дыру, будете расщеплены на мельчайшие части и (в соответствии с существующими теориями) совершите путешествие в бесконечность и даже дальше, что мы с вами позже обсудим. Посмотрите на черные дыры свежим взглядом, и вы увидите гораздо больше, чем просто черноту. И не надо падать в них, чтобы подвергнуть чудовищному стрессу свое ощущение реальности. На черные дыры распространяется стрела времени. Новые теории (пока не получившие подтверждения) утверждают, что в черных дырах (как и в «горизонте событий»[26] в бесконечности) сосредоточена большая часть энтропии Вселенной.

Затем мы бросим взгляд на пострелятивистский мир, когда Эддингтон, размышляя над направлением времени, пришел к заключению, что оно определяется вторым законом термодинамики: то есть уровень хаоса в мире, измеряемый как его энтропия, повышается и будет расти всегда. Это странный закон. Он построен не на базе физики, а на том факте, что наша Вселенная исключительно хорошо организована, и законы вероятности говорят, что развиваться ей некуда, кроме как вниз, к увеличивающемуся беспорядку и случайностям и в конечном счете к холодной (тепловой) смерти. Это ли будущее нас ожидает? Необязательно. Растущий хаос во Вселенной парадоксальным образом сопровождается ее возрастающей упорядоченностью, которая связана с формированием планет, жизни и цивилизаций.

Я покажу, что энтропийному направлению движения времени есть серьезные альтернативы, включая некоторые таинственные аспекты квантовой физики, до сих пор непонятые. В наши дни часто делаются ссылки на «теорию измерений»[27] (239 миллионов запросов в поисковой системе Google). Однако на самом деле подобной теории не существует. Наиболее драматическим открытием в науке об измерениях было подтверждение некоторых странных свойств квантовой запутанности, то есть явления, позволяющего предполагать наличие скоростей выше скорости света. Вполне возможно, что за еще не открытой «теорией измерений» может скрываться ответ на некоторые из вопросов, которые перед нами ставит время. Квантовая физика должна сыграть решающую роль в распутывании смысла понятия сейчас.

Некоторые люди полагают, что время – атрибут нашего сознания, которое никогда не может и не будет сведено к физике. Хотя многие физики верят, что вся окружающая нас реальность подвластна только их науке. Я покажу, что это не так. Что есть знание, такое же реальное, как и научные наблюдения, но которое никогда не было обнаружено экспериментально и не может быть подтверждено измерениями. Простым примером служит тот факт, что √2 не может быть представлен в виде целочисленной дроби[28]. Другой пример – невозможность знать, как выглядит голубой цвет.

Можно ли назвать стрелу времени психологическим явлением? Если бы время повернуло назад, мы бы заметили это? Великий физик Ричард Фейнман[29] показал, что мы можем рассматривать позитроны[30] (частицы антивещества, служащие топливом для космических кораблей в научной фантастике, а сегодня используемые в медицине для диагностики) в качестве электронов, движущихся во времени вспять. Может ли и наше сейчас повернуть назад? Можем ли мы допустить такое?

В заключение я постараюсь показать, что течение времени, как и понимание таинственного и ускользающего от нас сейчас, относится к области компетенции науки – и не в понятии энтропии, а в космологической физике. Чтобы понять наше сейчас, мы должны объединить не только теорию относительности и Большого взрыва, но и осознать, что рост энтропии имеет свои границы. Нужно рассмотреть те идеи, которые предоставляет нам в этом отношении квантовая физика, особенно (и, возможно, наиболее удивительно) в смысле понимания свободы воли. Новое понимание свободы воли, хотя практически ненужное для объяснения сейчас, сыграет ключевую роль в осознании нами, почему же это сейчас так важно.

* * *

Вместе пространство и время обеспечивают сцену, где мы живем и умираем; на ней классическая физика делает свои предсказания. Однако до начала 1900-х годов сама эта сцена не была изучена как следует. Предполагалось, что мы должны обращать внимание на пьесу, на выведенные в ней персонажи, повороты сюжета – но не саму сцену. И появился Эйнштейн. Его гений состоял в том, что он понял сам и открыл остальным: сцена нашей жизни находится в пределах царства физики, а время и пространство обладают удивительными свойствами, которые можно изучать и использовать, чтобы предсказывать будущее. Даже несмотря на то что Эйнштейн тоже не смог понять смысла сейчас, его работа имела ключевое значение для обретения нами знания. Эйнштейн подарил физике время.

Глава 2

Возвращение Эйнштейна в детство

Важнейшие вопросы о времени очень просты…

Истинно говорю вам, пока вы не изменитесь и не станете такими, как маленькие дети, вы никогда не поймете время.

Евангелие от Матфея, 18:3 (с изменениями)

Несмотря на внешнюю простоту, нижеследующая фраза не принадлежит детской книге о времени:

Если, например, я скажу: «Этот поезд прибывает в 7 часов», то я имею в виду примерно следующее: «Нахождение маленькой стрелки моих часов и прибытие поезда будут одновременными событиями».

Это обманчиво простое предложение появилось в одном из престижных физических журналов своих дней, Annalen der Physik[31], 30 июня 1905 года. Статья, в которой оно содержалось, была, безусловно, самой глубокой и важной публикацией с 1687 года, когда Ньютон заложил фундамент классической физики в своих «Принципах» («Математических началах натуральной философии»[32]). Ее автор однажды станет символом гениальности, научной продуктивности и 95 лет спустя будет назван в журнале Time («Время» – очень говорящее название) человеком века. Подобную его честь мало кто оспаривал. Слова же о маленьких наручных часах принадлежат Альберту Эйнштейну.

Статья называлась «К электродинамике движущихся тел». Что общего может быть между маленькой стрелкой на часах и прибытием поезда с электродинамикой, то есть исследованиями в области электричества и магнетизма? Оказывается, очень много. Статья Эйнштейна на самом деле касалась времени и пространства: он хотел ввести эти понятия в область физики. Более подходящим названием скорее могло бы быть «Теория относительности – революционный прорыв в нашем понимании времени и пространства». До Эйнштейна эти понятия были просто координатами, которые использовались для постановки и решения задач. Ответ на вопрос «Когда прибудет поезд?» мог быть сформулирован как определенный момент времени. Эйнштейн показал, что не все так просто.

Теория относительности

Что такое время? Его трудно определить. Ньютон надменно избегал этого вопроса. В упомянутом монументальном труде он писал: «Я не даю определений времени, месту или движению, поскольку это и так всем хорошо известно». Может быть, и известно, но труднопостижимо. Эйнштейн тоже не дал определения времени, но он удивительно талантливо его исследовал, открыв при этом совершенно неожиданные его свойства. Он продолжает изложение в своей основополагающей статье о теории относительности в стиле педанта, до смешного элементарном, а иногда даже скучном:

Если в точке А пространства расположены часы, то наблюдатель, находящийся в этой точке, может определять временные значения происходящих в непосредственной близости от него событий, отыскивая положения стрелок на часах одновременно с происхождением этих событий.

Кому он адресует свою статью? Простым любителям? Разве не утверждает совершенно очевидное? Зачем использует этот детский стиль?

Ученый делал все это по вполне определенным причинам. Чтобы добиться прогресса в изысканиях, требовалось разбить скрытые предрассудки и неправильные представления, засевшие в подсознании его коллег. Для этого он прежде всего должен был раскрыть эти идеи как не обязательно вполне очевидные и, что еще более важно, – как не соответствующие истине. Он обратился к самым фундаментальным понятиям – тем, которым вас учили в детстве, когда вы впервые сумели определить время на часах; понятиям абсолютности времени. К тому, что даже если часы идут неправильно, их можно синхронизировать с другими; что если отец говорит вам нечто сделать сейчас, то значение этого сейчас для вас и для него одинаково.

Эйнштейну требовалось удалить из головоломки те детали, которые были вставлены в нее неправильно.

И он пришел к выводу, что несколько очевидных, само собой разумеющихся принципов не соответствовали истине. Его логические рассуждения строились на базе явлений электричества – отсюда и название статьи. Трудность теории относительности состояла не в сложности ее математического аппарата – в статье Эйнштейн использует только элементарную алгебру; а в тех искаженных представлениях о времени и пространстве, которые имели ее читатели, крупнейшие мировые ученые.

Попробуйте заставить себя вновь подумать о времени и пространстве так, как о них думает ребенок. Можете вспомнить, когда вы впервые подумали, что скорость течения времени непостоянна? Для меня время буквально «летело» во время школьных каникул или в ходе забав и приключений. Оно чрезвычайно замедляло свой бег при посещениях стоматолога (который не верил в обезболивающие средства) или когда я в магазине ожидал маму, примеряющую обувь. Газета New York Times в 1929 году цитировала Эйнштейна: «Когда ты сидишь с красивой девушкой два часа, они кажутся тебе минутой, но если ты сидишь на горячей печи хотя бы минуту, покажется, что прошло два часа».

Через 10 лет после своих основополагающих работ по теории относительности Эйнштейн опубликовал статью в ее развитие, объясняя природу гравитации. Эту часть теории он назвал общей теорией относительности (ОТО). Тогда ученый решил, что ее первая часть, не касающаяся вопросов гравитации, должна быть переименована в специальную теорию относительности (СТО)[33]. Эта смена названия оказалась неудачной и вызывала путаницу. Было бы гораздо понятнее, если бы Эйнштейн назвал свою первую работу просто теорией относительности, а вторую расширенной теорией относительности. Великий ученый вынашивал мысли о дальнейшем развитии теории и о пересмотре теорий электричества и магнетизма, а также включении их всех в объединенную теорию. Но ему это не удалось.

Откуда вообще появилось здесь слово относительность? Чтобы понять это, остановитесь на секунду и ответьте на вопрос: какова ваша скорость в этот момент?

Вы сказали: «Нуль», – потому что сейчас сидите? Вы можете сказать: «Нуль», – также сидя в самолете, который летит на высоте 12 000 метров. Горит табло «Пристегните ремни», и стюардесса объясняет, что передвижение по самолету запрещено. Поскольку вы сидите не двигаясь, ваша скорость должна составлять 0 км/ч.

Или вы сказали: «900 км/ч», – поскольку с такой скоростью двигается самолет? Или вы читаете книгу на катере, покачивающемся на воде в устье Амазонки, и даете ответ: «1670 км/ч», – поскольку это скорость вращения Земли в районе экватора (40 000 км за 24 часа)? Возможно, вы достаточно знаете астрономию, чтобы сообщить о скорости вращения Земли вокруг Солнца – «30 км/с». Если бы еще вспомнили о скорости вращения Солнца вокруг центра Млечного Пути и скорости движения Млечного Пути во Вселенной (которую можно определить по микроволновому излучению), видимо, вы бы произнесли: «1 500 000 км/ч».

Какой из этих ответов правильный? Разумеется, все. Ваша скорость зависит от той платформы наблюдения, на которой вы находитесь. Физики называют ее системой отсчета. Этой системой могут быть Земля, самолет, земная ось, Солнце или космическое пространство. Или что-то между ними.

Когда вы летите в самолете, можете ли не согласиться с кем-то, находящимся на Земле, относительно скорости вашего передвижения? Нет, такое несогласие выглядело бы глупо. Вы оба знаете, что вы неподвижны относительно самолета, но передвигаетесь со скоростью 900 км/ч относительно Земли. Оба ответа правильные.

Поразительным новым качеством относительности стало то, что не только скорость, но и время зависит от системы отсчета. Абсолютного времени, о котором вы узнали от своих родителей и учителей, не существует. Вы не только будете получать разные показания времени в зависимости от того, какую точку отсчета выберете – землю, самолет, планету Земля или космическое пространство; вы получите еще и разную скорость течения времени. Это означает, что промежуток времени между двумя событиями, между двумя тиканьями ваших часов, не универсален и абсолютен, а зависит от выбранной вами системы отсчета.

В других книгах по теории относительности вы, видимо, читали, что разные наблюдатели, двигающиеся с разными скоростями, «расходятся между собой в восприятии действительности». Это совсем не так. Даже если это утверждают самые великие физики мира, они понимают, что это не соответствует истине. (Признаюсь, я тоже попал в такую ловушку в одной из своих же ранних статей по теории относительности. Тогда я думал, что это поможет яснее донести предмет до читателей. Я ошибался.)

Утверждения о «несогласных между собой наблюдателях» вызвали большую путаницу и затруднение понимания людьми теории относительности, чем ее сложный математический аппарат. Наблюдатели в относительности не согласны между собой только в степени ошибки по поводу скорости передвижения кого-то в самолете. Но все эти наблюдатели знают, что скорость относительна, а ее показатель зависит от точки отсчета. Они также знают (если внимательно изучали ОТО), что то же самое верно и для времени. Блеск теории относительности состоит в том, что все наблюдатели и везде согласны друг с другом.

Когда я спросил о вашей скорости, вы, возможно, сочли, что это вопрос с каким-то подтекстом, и отказались отвечать. Вы подумали: «Скорости по отношению к чему?» Отлично. Вы правильно поняли направление моей мысли.

Замедление времени

Эйнштейн показал, что время того или иного события зависит от системы отсчета: земной поверхности, самолета, планеты Земля, Солнца или космического пространства. При этом время события будет разным. Для небольших скоростей (то есть около 1 500 000 км/ч или меньше) эта разница будет небольшой. Но все равно она существует. Когда системы отсчета движутся быстро – близко к скорости света, время начинает различаться очень сильно. Уравнения для расчета времени в разных системах отсчета несложные. Это просто алгебраические формулы, включающие квадраты и квадратные корни. Я привожу их в Приложении 1.

Давайте рассмотрим числовой пример. Предположим, вы находитесь в космическом корабле, который двигается со скоростью 97 % скорости света по отношению к Земле. Начнем с промежутков времени, потому что формула их расчета весьма доступна. Если взять космический корабль за систему отсчета, промежуток между вашими соседними днями рождения составит один год. Если принять системой отсчета Землю, тот же самый промежуток будет длиться не один год, а три месяца. Через несколько мгновений я покажу, как сделать соответствующие вычисления.

Вот что скажет внимательный наблюдатель на Земле: «Временной интервал между двумя днями рождения (двумя событиями) в системе отсчета Земли составил три месяца, а в системе отсчета космического корабля – один год». Наблюдатель на корабле скажет то же самое. Наблюдатели не расходятся во мнениях о временных интервалах больше, чем они могут расходиться в оценке скорости движения объектов.

В какой системе отсчета находитесь лично вы? Это вопрос с подтекстом. Однако в любом случае попробуйте ответить на него.

Вы находитесь во всех системах. Эти системы существуют только для определения движения тел отсчета по отношению к ним. Можете выбрать любую систему отсчета. Если ваша скорость в одной из них равна нулю (скажем, если вы находитесь в самолете), то эта система называется собственной системой отсчета. По отношению к собственной системе отсчета Солнца (где оно находится в покое) вы двигаетесь со скоростью 29 км/с, совершая один оборот вокруг светила за год.

Вы можете запутаться в этом вопросе, если ранее читали другие книги о релятивистском замедлении времени, в которых приводятся объяснения вроде «часы, находящиеся в движении, как нам кажется, идут медленнее, чем ваши». Да, это так, но это не вся правда. Вам не только кажется, что они идут медленнее: они на самом деле идут медленнее – если замерять их ход в вашей системе отсчета. В собственной системе отсчета они идут быстрее, чем в вашей. Это не парадокс или противоречие. Во всяком случае, не большее противоречие, чем скорость движения человека в самолете – 0 км/ч или 900 км/ч? Все наблюдатели согласны между собой.

Обозначим буквой b отношение скорости объекта к скорости света (далее безразмерная скорость). Свет (в вакууме) двигается с безразмерной скоростью b = 1 (c/c). Если вы будете двигаться с половинной скоростью света, то ваша безразмерная скорость b составит 0,5. Фактор замедления времени, который возникает при сравнении двух временных интервалов в двух системах отсчета, называется гамма (обозначается греческой буквой γ), а формула его расчета – γ = 1/√(1 − b²), где b есть нормированная (безразмерная) скорость.

В электронной таблице если В1 – это безразмерная скорость b, то γ = 1/SQRT(1−B1^2). В случае с нашим космическим кораблем подставьте В1 = 0,97, и вы получите гамма-фактор (фактор замедления времени), который составит примерно 4. Это означает, что за один год, прошедший по часам на космическом корабле, в земной системе отсчета проходит около 4 лет. Другими словами, время на корабле течет примерно на четверть быстрее, чем на Земле. Проведите в полете на космическом аппарате один год, и вы состаритесь всего на три месяца. Это несколько смешно и даже удивительно, что несмотря на трудности с определением течения времени, мы располагаем точными формулами для расчета относительной его скорости.

Рекомендую поиграть этой формулой с помощью электронных таблиц или программируемого калькулятора. Вы увидите, что при параметре b, равном 0 (то есть при нулевой скорости объекта), гамма составляет 1. Так что, когда вы находитесь в покое, никакого замедления времени не происходит. Если вы подставите b = 1, вы обнаружите, что γ составит 1:0, то есть бесконечность. Это означает, что когда корабль движется со скоростью света, время на нем (по отношению к системе отсчета Земли) останавливается. Секунда в собственной системе отсчета объекта длится бесконечное количество времени в системе отсчета Земли.

Относительность времени легко измерима, по крайней мере в экспериментальной физике. Учась в докторантуре Калифорнийского университета в Беркли, я каждый день сталкивался с замедлением времени. Я тогда работал с радиоактивными элементарными частицами, которые называются пионы, мюоны и гипероны. (Отдельные радиоактивные частицы безвредны. Они могут нанести серьезный ущерб, только когда вы имеете дело с миллиардами таких частиц.)

Радиоактивные частицы спонтанно «распадаются» (лучше говорить «взрываются»), и в среднем каждая имеет 50 % шансов распасться (период полураспада).

Период полураспада урана составляет около 4,5 миллиарда лет, радиоактивного изотопа углерода – 5700 лет, а трития[34] – 13 лет. В моих наручных часах есть тритий в смеси с фосфором. (Радиоактивность трития так слаба, что она даже не покидает циферблата.) Этой смесью покрыты стрелки часов, которые светятся ночью. Через 13 лет интенсивность их свечения уменьшится наполовину. Радиоактивность со временем ослабевает. (Поэтому взрывы отдельных частиц мы называем «распадом», или «разрушением».) Пионы в моей лаборатории имели несравнимо меньший период полураспада, около 26 миллиардных долей секунды (26 наносекунд). Это может показаться микроскопическим отрезком времени, но только для человека. Для iPhone это долго. Встроенные в мой iPhone часы выполняют 1,4 миллиарда рабочих циклов в секунду. Я могу совершить 36 элементарных вычислений за те 26 наносекунд, что распадается пион.

В лаборатории Лоуренса, где я провел большинство своих экспериментов, я изучал быстро двигающиеся пионы, чья безразмерная скорость b составляла 0,9999988. Мы создали пучок пионов: интересно было посмотреть, что произойдет, когда они столкнутся с протонами. Их период полураспада оказался в 637 раз больше, чем у пионов, находящихся в состоянии покоя. Это соответствовало расчетному гамма-фактору[35] для таких скоростей. Я был докторантом, и до этого теория относительности была для меня абстракцией, с которой я знакомился по лекциям и книгам. Увидеть ее собственными глазами было потрясением.

На физическом факультете университета в Беркли мы создали лабораторию, где студенты последних курсов могут измерять фактор замедления времени в рамках своих курсовых работ. При этом они используют не пионы, а мюоны, элементарные частицы, попадающие на Землю вместе с космическими лучами. Релятивность (относительность) становится реальностью. Сегодня для многих физиков это повседневная жизнь.

Означает ли замедление времени, что если я лечу в самолете, то проживаю большее время, чем на Земле? Да, и гамма-фактор для самолета был измерен в 1971 году учеными Джозефом Хафеле и Ричардом Китингом[36]. Это был очень элегантный эксперимент, о котором я всегда рассказываю студентам на лекциях по теории относительности. В качестве системы отсчета исследователи использовали обычный пассажирский реактивный самолет. Их бюджет составлял всего $8000. Немного, причем он почти весь ушел на приобретение авиабилетов для путешествия вокруг Земли (включая отдельное место для специальных часов). Результаты были опубликованы в одном из престижнейших научных журналов Science.

Хафеле и Китинг использовали для эксперимента весьма необычные часы, которые все же смогли арендовать. При скорости самолета в 900 км/час безразмерная скорость b составляет 0,000000821. Чтобы получить фактор замедления времени, то есть гамма-фактор, можете подставить это число в приведенную выше формулу, но вам потребуется 15-значный калькулятор. (Excel не подойдет, но приложение к смартфону под названием Calculator сгодится.) Расположите смартфон горизонтально для работы в режиме научного вычислительного устройства. Вы обнаружите, что при таком путешествии на самолете вы живете дольше с гамма-фактором, равным 1,000000000000337. Настолько каждый ваш день становится длиннее. Дополнительная его часть (те самые 337) составляет 29 наносекунд (миллиардных долей секунды) в день.

Возможно, словосочетание «29 наносекунд» и не впечатляет, но за это время процессор в моем смартфоне может сделать 41 операцию (за этот период он совершает 41 рабочий цикл). Хафеле и Китинг смогли обнаружить явление замедления времени и доказать, что теория относительности позволила им получить его правильное значение. Конечно, еще до этого эксперимента физики много раз обнаруживали замедление времени при экспериментах со скоростями, близкими к скорости света, как, например, я делал это в своей лаборатории. Но было интересно пронаблюдать тот же эффект на нормальных для обычного самолета скоростях.

Эффект замедления времени становится значительно более заметным на спутниках GPS, которые имеют орбитальную скорость 14 000 км/час, что равно 3,8 км/с. Сделайте самостоятельные вычисления, и вы обнаружите, что в системе отсчета такого спутника замедление времени составит около 7200 наносекунд в день. GPS (система глобального позиционирования) должна учитывать это обстоятельство, поскольку на ее спутниках используются их собственные часы для определения своего местоположения. Радиоволны распространяются со скоростью примерно 30,5 см в наносекунду. Таким образом, если бы в системе GPS не учитывалось суточное замедление времени в 7200 наносекунд, то ошибка в определении вашего положения на Земле составила бы около 2,2 км.

Если бы Эйнштейн не открыл правильные уравнения для теории относительности в 1905 году[37], нас до сих пор приводила бы в замешательство долгая жизнь пионов или ошибки работы GPS в последней части XX века. Пришлось бы открывать явления замедления времени экспериментальным путем.

Летайте на самолетах или даже на космических кораблях – и будете жить дольше с точки зрения земной системы отсчета. Однако вы не почувствуете более долгую жизнь. Просто при вашем движении время бежит медленнее. Ваши часы будут идти медленнее, но так же медленнее будет биться ваше сердце, медленнее будете думать и стареть. Так что вы ничего не заметите. И это удивительное свойство релятивизма. Медленнее идут не только часы. Медленнее происходит все. Именно поэтому мы и говорим, что меняется скорость течения времени.

Правильные системы отсчета

Эйнштейн обнаружил: если вы ограничитесь только теми системами отсчета, которые движутся с постоянной скоростью, то уравнения в теории относительности останутся достаточно простыми. Я привожу их в Приложении 1. Конечно, люди и мир не движутся с постоянными скоростями. Мы определяем вашу систему отсчета как систему, которая движется вместе с вами, изменяя скорость вместе с вами. Самое важное свойство этой системы в том, что она определяет ваш возраст и то количество времени, которое отпущено вам для жизни.

Когда вы сначала сидите на поверхности Земли, затем летите на самолете, а потом возвращаетесь, ваша собственная система отчета ускоряется. То количество времени, которое вы ощущаете и которое проявляется в вашем возрасте, проявится на ваших часах. Это не очевидно, но таким представлением пользуются все физики. Научно оно называется хронометрической теорией. Если захотите узнать, как изменится ваш возраст во время длительного и сложного путешествия, в котором будет много ускорений, всегда высчитывайте свой гамма-фактор, который покажет, насколько замедляется ход ваших часов на каждой из тех скоростей, которым вы подвергаетесь.

Для ускоряющейся системы отсчета (например, для собственной СО) общие формулы для событий гораздо более сложные, чем для СО, движущихся с постоянной скоростью. Чтобы избежать этих сложностей, Эйнштейн использовал очень простой трюк. В любой момент ваша собственная система отсчета будет совпадать с СО, движущейся с постоянной скоростью. Поэтому достаточно делать ежемоментные вычисления именно в тех системах, которые соответствуют этому моменту. Иными словами, если вы ускоряетесь, используйте уравнения, представляя себе, что ваше движение оказывается «перепрыгиванием» вашей собственной СО из одной системы отсчета в другую, двигающуюся несколько быстрее. Этот подход Эйнштейн позднее использовал при вычислениях гравитации, которую он принимал за эквивалент ускоряющейся системы отсчета. Такой подход он назвал принципом эквивалентности сил гравитации и инерции.

Когда в этой книге я говорю «система отсчета», то имею в виду систему, не подверженную ускорению. Такие системы физики называют «системами отсчета Лоренца» – в честь Хендрика Лоренца[38], современника Эйнштейна, который первым использовал концепцию неподвижных систем. Напротив, ваша собственная система отсчета движется вместе с вами, ускоряясь и останавливаясь, двигаясь пешком и бегом, меняя направление движения, запрыгивая в машины и носясь на них повсюду.

Путешествия в будущее

Эффект замедления времени порождает мысли о возможности путешествий в будущее. Действительно, попытайтесь добиться достаточно высокой скорости передвижения, и ваше собственное время потечет медленнее. За одну минуту вашей жизни можете прожить сотню лет в будущем. Не придется замораживать тело в надежде, что ученые однажды найдут способ разморозить и оживить его. Нужна всего лишь околосветовая скорость. Конечно, возникают и технические детали. Вам нужно позаботиться, чтобы во время путешествия ни с чем не столкнуться. На скоростях, близких к скорости света, это чревато. Важно побеспокоиться и о том, чтобы вернуться в ту же точку, откуда стартовали, чтобы Земля была такой, какой вы и ожидаете ее увидеть в будущем. И тут есть одна загвоздка. Попав в будущее, вы не будете обладать механизмом, который позволит вернуться в прошлое.

Путешествия во времени в обратном направлении, вероятно, возможны. Ученые полагают, что это могло бы произойти при путешествиях со скоростью выше скорости света, когда люди соскальзывали бы в пространственно-временные туннели в гипотетической модели Вселенной. Я позже порассуждаю об этих идеях, но мне кажется, на пути их реализации имеются серьезнейшие проблемы, и ни одна из них никогда не будет успешно реализована.

Эйнштейн вывел свои уравнения, допустив, что относительная скорость систем отсчета ниже скорости света. Если эти скорости сравняются, то гамма-фактор станет бесконечным и уравнения будут неверны. Можно ли использовать формулы для скоростей больше скорости света? Пока официально нет. Но, разумеется, каждый пытается посмотреть, что из этого получится. В конце концов при этом приходят к мыслям о воображаемой массе. Это необязательно противоречит физике. Мы поговорим об этом, когда будем рассматривать гипотетические частицы, имеющие скорость, которая превышает световую. Их называют тахионы.

Глава 3

Это скачущее сейчас

Изменение системы отсчета создает дискретные скачки в определении времени отдаленных событий

День и время, в которое мы живем,

Дает нам возможность понять скорость и новые открытия,

И даже четвертое измерение.

Нас немного пугает теория м-ра Эйнштейна…

Вы должны запомнить: поцелуй – всего лишь поцелуй,

Вздох – это всего лишь вздох.

С течением времени основополагающие вещи

Все равно остаются неизменными.

Отрывок из песни «Время бежит вперед» (включая слова, пропущенные в фильме «Касабланка»[39])

Даже если вас не пугает замедление времени, открытия Эйнштейна вокруг понятий когда и сейчас могут вызвать беспокойство. Термин квантовый скачок когда-то использовался только в квантовой физике. Само слово квант означает «дискретный, случайный, резкий». Согласно теории относительности, такие резкие изменения возникают в отношении отдаленных событий, когда вы круто меняете систему отсчета. Скачок во времени при этом может быть очень значительным.

Давайте дадим какому-то событию название (например, «моя новогодняя вечеринка») и определим его местоположение и время. Моя новогодняя вечеринка состоялась ночью 31 декабря 2015 года (или в какое-то другое время), а местом события был мой дом, местоположение которого определяется широтой, долготой и высотой относительно уровня моря. Время события отвечает на вопрос когда. Если два события имеют одно и то же когда, они называются одновременными. Например, ваша новогодняя вечеринка и такая же вечеринка у ваших друзей состоялись одновременно. (Вспомните цитату из статьи Эйнштейна, которая была приведена в начале предыдущей главы относительно часовой стрелки часов и прибытия поезда.) Достаточно просто. Но если два события происходят одновременно в одной системе отсчета, за которую можно взять мой дом, будут ли они обязательно одновременными в другой системе отсчета, скажем движущегося самолета? Очевидный ответ – да. Правильный ответ – нет.

Пока вы не стали изучать теорию и работы Эйнштейна, могло ли вам прийти в голову, что ответ может быть отрицательным? Подлинный гений ученого состоял в том, что он оказался способен задать себе такой вопрос. Без отказа от концепции классической физики об абсолютной одновременности событий Эйнштейн не смог бы решить проблему относительности.

В своей теории он показал, что если два события происходят в разных местах и одновременно, скажем прямо сейчас, то в другой системе отсчета они не будут одновременными. Одно событие происходит прежде, чем другое. Какое из них будет первым? Зависит от системы отсчета. Они могут и менять порядок происхождения. Именно это я имею в виду, говоря, что в теории относительности время может менять направление своего течения.

Предположим, вы летите к далекой звезде. Что происходит в это время на Земле? Скрытым и подразумеваемым, но не произнесенным в этом вопросе будет слово сейчас. Что происходит на Земле сейчас? Но стоит вам достичь звезды, остановиться на ней и изменить собственную систему отчета из подвижной на неподвижную (на поверхности звезды), значение абсолютного сейчас в этой системе отсчета тоже изменится. Это произойдет в силу того, что ваша собственная система отсчета после остановки привязывается к другой СО. Когда ваша система отсчета «перепрыгивает» в другую, то же самое происходит и со временем отдаленных событий. Формула для этого «прыжка» времени оказывается очень простой. Это γDv/с2, где γ – гамма-фактор, D – расстояние до события, v – изменение скорости, а с – скорость света. Я даю эту формулу в Приложении 1.

Приведу пример. Предположим, что ваша новогодняя вечеринка происходит у вас дома, а моя – на Луне. Эти события одновременны в собственной системе отсчета моего дома. А теперь давайте посмотрим на те же самые события в собственной системе отсчета пиона из моей лаборатории. Расстояние D/c составляет 1,3 светосекунды[40], скорость движения пиона в моей лаборатории (соотношение v/c, безразмерная скорость b) близка к 1, а гамма-фактор составляет число I, вычисленное ранее: 637. Таким образом, «прыжок» времени будет произведением 1,3 × 637, что составляет 828 секунд. Это разрыв в 14 минут между двумя «одновременными» новогодними вечеринками! Какое же событие произойдет первым, зависит от того, движется система отсчета пиона в сторону Луны или удаляется от нее.

Не находите ли вы этот пример более волнующим, чем абстрактная «более долгая жизнь»? Большинство людей согласны с этим, потому что он ближе к реальности. В силу своей труднодоступности для понимания эти «прыжки», или разрывы во времени событий, оказываются одними из самых запутанных парадоксов теории относительности, и мы поговорим о них в следующей главе. Они также несут в себе важные последствия для наших поисков понимания категории сейчас.

Еще раз предупреждаю: остерегайтесь понимать разрывы во времени событий как «несогласие между наблюдателями», что часто используется в популярных объяснениях теории относительности как штамп. Наблюдатели со своими системами отсчета не могут иметь «различное представление» о реальности, в чем хотят убедить вас некоторые авторы. Это вывод базируется на том неправильном представлении, что любой наблюдатель может описывать реальность только в одной системе отсчета – его собственной. Если бы это было так, то в нашей обычной жизни я сказал бы, что не я приехал в Париж, а Париж приехал ко мне. Мы не строго привязаны к собственным системам отсчета в обычной жизни, поэтому нет никакого резона привязывать себя к ним, говоря о релятивизме.

Сжимающееся пространство, плоские протоны

Эйнштейн изменил и наше понимание времени, и наше понимание пространства. В теории относительности он показал, что не только время прохождения двух событий зависит от системы отсчета (Земля, самолет или спутник), но и длина объектов.

Начиная разговор о длине, мы вновь должны обратиться в детство. Чтобы измерить длину автобуса, мы определяем местоположение одного его конца, затем другого и выводим разницу между ними. Но предположим, что автобус двигается. Мы отмечаем нахождение переда автобуса, когда эта его часть минует нас, а буквально через секунду отмечаем, что мимо нас проезжает его задняя часть. И мы ошибочно приходим к заключению о том, что длина автобуса равна 0. Ясно, что мы допускаем ошибку. Нужно измерить переднюю и заднюю точки автобуса одновременно.

Одновременно? Но в этом-то и загвоздка. Одновременность относительна. События, одновременные в одной системе отсчета, не одновременны в другой. Прямым следствием этого будет то обстоятельство, что в разных системах отсчета длина будет разной. Если объект имеет длину L в собственной системе отсчета (двигаясь вместе с ней), тогда его длина в системе отсчета, двигающейся с относительной скоростью v (например, земной СО), будет, по Эйнштейну, меньше на гамма-фактор. Для интересующихся я привожу это уравнение в Приложении 1.

Это сокращение длины объекта называлось в разное время по-разному: сжатие Фицджеральда, сжатие Лоренца[41], сжатие движущегося тела в направлении движения.

Множественность названий отражает тот факт, что само явление было постулировано еще до Эйнштейна. Ирландский физик Джордж Фицджеральд, вместе с другими учеными своей эпохи (конец XIX века), предполагал, что все пространство заполнено невидимой жидкостью под названием эфир. (В молодости я путал его с химическим эфиром.) Этот эфир, по представлениям Фицджеральда, был той средой, в которой распространялись электромагнитные колебания: световые и радиоволны. Теперь под этим мы понимаем вакуум, или космическое пространство. Фицджеральд выдвинул гипотезу о том, что объект, движущийся сквозь эфир, будет сжиматься под действием сопротивления этой субстанции. Эту силу сопротивления он называл «эфирным ветром». Новая длина предмета была результатом деления старой его длины (которая существовала в его собственной системе отсчета) на гамма-фактор.

В понимании сжатия движущегося тела много путаницы из-за неточности языка некоторых ученых. Они говорят, что движущийся деревянный метр «кажется короче». Это правда, но не вся. Он короче в нашей системе отсчета, чем в собственной СО. Все наблюдатели, независимо от скорости их движения, сходятся в этом. Деревянный метр кажется короче, потому что он на самом деле короче.

Сжатие движущегося тела я тоже мог наблюдать в своей лаборатории, хотя и не с такой ясностью, как замедление времени. Когда мы сталкиваем пион с протоном, в системе отсчета пиона протон становится совсем не круглым. Он приобретает форму очень тонкого блина толщиной в 1/637 части своего диаметра, то есть больше похожим на тонкую ткань (типа крепа). Это изменение формы протона оказывает серьезное воздействие на рассеивание пиона, которое я наблюдал.

В земной системе отсчета пион был меньшей из двух частиц. Так какая же из них была меньше в реальности, пион или протон? Ответ – обе, в зависимости от системы отсчета. В собственной СО пиона двигался протон, и он был меньше. В собственной СО протона двигался пион, и меньше был он. Все наблюдатели во всех системах отсчета сходятся в этом. В теории относительности наблюдатели никогда не расходятся в определении длины объекта больше, чем в определении его скорости. Скорость относительна. Точно так же относительны временные интервалы. Точно так же относительна форма.

Эксперимент Майкельсона−Морли

Большинство известных дискуссий о теории относительности начинается с описания эксперимента, проведенного американскими физиками Альбертом Майкельсоном[42] и Эдвардом Морли[43] в 1887 году. До сих пор неясно, в какой степени результаты этого эксперимента повлияли на Альберта Эйнштейна. Он упоминает о нем лишь в своих поздних работах. Создается впечатление, что его теория относительности базировалась прежде всего на теории электромагнетизма Максвелла и свойствах этой теории, выведенных Лоренцем.

Майкельсон и Морли сделали исключительно точное измерение скорости света в направлении движения Земли вокруг Солнца и перпендикулярном ему направлении. Цель состояла в обнаружении «эфирного ветра». Ученые выяснили, что скорость распространения света в обоих направлениях была одинаковой, несмотря на движение Земли. Они нашли лишь 1/40-ю долю той разницы в скорости света, которую ожидали увидеть. То есть, по существу, никакой разницы.

Современные эксперименты подтвердили, что скорость света постоянна, независимо от направления вращения Земли. При этом точность измерений достигла 0,01 микрона в секунду. В действительности точность измерений была настолько высока, что ее дальнейшее повышение потребовало бы внесения изменений в определение того, что мы подразумеваем под одним метром в метрической системе. Чтобы избежать каких-либо противоречий, в настоящее время скорость света официально определена в 299 792 458 м/с, а длина метра определяется как расстояние, которое луч света преодолевает за 1/299 792 458 секунды. Это означает, что известное значение скорости света больше не уточняется. Можно только технически повысить точность измерения длины метра. Полезно также запомнить, что свет распространяется со скоростью около 0,3048 м/нс (нс, наносекунда – одна миллиардная доля секунды) с точностью до 1,5 %.

Постоянство скорости света достаточно легко объясняется теорией относительности, как я показываю в Приложении 1. Но это обстоятельство можно повернуть на 180°. В начальных курсах физики преподаватели иногда выводят уравнения теории относительности, начав с тезиса о постоянстве скорости света и показывая потом, что релятивистские уравнения – единственные, которые линейны по отношению ко времени и пространству и которые могут дать этот результат. Студентом я никогда не любил этот метод, потому что считал представление о линейности искусственным. На самом деле это не так, но мне, второкурснику, было трудно принять принцип «линейности», так что все вычисления казались натянутыми.

E = mc²

Самой известной формулой XX века считается формула Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии: E = mc². В настоящее время она настолько известна, что трудно даже представить, насколько абсурдной она казалась, когда была впервые сформулирована Эйнштейном. Он опубликовал ее во второй статье, посвященной теории относительности, в 1905 году, через три месяца после первой.

Формула выглядела нелепой. В соответствии с ней любая масса, даже такая, которой обладают абсолютно несжигаемые субстанции типа камня или воды, содержит в себе огромную энергию. После подстановки в формулу показателя с² получались чудовищные значения. Скорость света, с, – это 300 000 000 м/с. Возведите это число в квадрат, и вы получите 90 000 миллионов миллионов. Другими словами, 90 квадриллионов. К тому же Эйнштейн не дал никаких указаний относительно того, как можно извлечь всю эту энергию для полезного использования. Он просто констатировал, что она есть. Если вы не могли освободиться от массы, такая энергия была бесполезна. В то время понятие массы считалось непреложным. Масса «сохранялась», она не могла быть создана или уничтожена. Таким образом, формула Эйнштейна выглядела одновременно и абсурдной, и бессмысленной.

Ученый говорил, что, в принципе, энергия эквивалентна массе. Вы можете представить себе массу как «связанную в узел энергию». Когда, сжигая бензин и воздух, вы получаете тепло, масса дымов (состоящих в основном из углекислого газа и пара) будет несколько меньше массы сожженной бензиново-воздушной смеси из-за истраченной энергии (той энергии, которая использована на придание движения вашему автомобилю). Энергия, помимо прочего, уходит на разогрев воздуха и покрытия дороги (сила трения), в результате чего они станут несколько тяжелее, потому что «впитают» в себя энергию.

Формула E = mc² подразумевает использование физических единиц (джоулей, килограммов, метров в секунду). Я попробую переписать ее в наших повседневных единицах измерения. Килограмм массы – это примерно 2,2 фунта. 1 киловатт-час энергии (кВт/ч) эквивалентен 3,6 млн джоулей. Формулу Эйнштейна можно представить еще и так:

Энергия = mc² = 11 млрд кВт/ч в фунте массы.

В США средняя стоимость электроэнергии равна 10 центам за 1 киловатт-час. Так что один фунт любой массы, переведенный в электрическую энергию, стоил бы более миллиарда долларов.

Другой способ представить эту формулу – измерить энергию в бензиновом эквиваленте. Сколько ее будет содержаться в массе одного галлона бензина (3,79 л). Вот как будет выглядеть формула:

Энергия = mc² = 2 млрд галлонов (в бензиновом эквиваленте) в одном галлоне бензина.

Это означает, что энергии в массе бензина содержится в 2 миллиарда раз больше, чем получается от сжигания той же массы. В США розничная цена бензина колеблется, но если, для примера, ее взять равной $3 за галлон, то в одном галлоне бензина содержится энергии на $6 млрд. А в Европе – на еще большую сумму.

Требовалось ли от Эйнштейна мужество, чтобы в начале XX века опубликовать подобные, явно нелепые, выводы? Сегодня, когда мы знакомы с мирной ядерной энергией и чудовищной разрушительной силой атомных бомб, эти заключения и расчеты не кажутся фантастическими. Но в начале 1900-х годов доказательств существования этих невероятных масс энергии еще не было – кроме того, что в процессе радиоактивного распада атом высвобождал энергию в миллион раз больше, чем при участии в химической реакции. Должен был существовать доселе неизвестный источник гигантской энергии, и Эйнштейн нашел его – это масса. Но утверждения великого ученого требовали либо отчаянной смелости, либо уверенности в том, что он раскрыл фундаментальную правду о массе. Создается впечатление, что превалировал второй фактор.

Каким образом Эйнштейн вывел уравнения об энергии из уравнений времени и пространства? Его метод был достаточно простым. Он задумался: какое влияние окажут наши представления о времени и пространстве на законы механики? Ньютон в свое время решил, что объект, испытывающий на себе силу F, приобретет ускорение а по формуле F = ma. Мы называем это вторым законом Ньютона. (Его первый закон, гласящий, что движущийся объект будет сохранять свое прямолинейное движение или останется в состоянии покоя, есть лишь частный случай для второго закона, при силе F, равной нулю.)

Эйнштейн понимал, что ньютоновские уравнения не могут быть правильными для всех систем отсчета, поэтому он сформулировал другие, которые удовлетворяли этому требованию. Главный его вывод был таков: движущиеся объекты ведут себя так, будто они тяжелее, чем на самом деле. В уравнениях Эйнштейна вместо m появляется γm, которая исторически называется релятивистской массой. Энергия представала в виде E = γmc², что подвело Эйнштейна к признанию эквивалентности релятивистской массы и энергии. (Некоторые физики до сих пор предпочитают использовать термин «масса» для обозначения массы покоя, но тогда утрачивается эквивалентность массы и энергии. Понятие релятивистской массы широко использовалось такими учеными, как Эрнест Лоуренс, и доказало свою концептуальную состоятельность.)

Вспомните о пионе в моей лаборатории. При разгоне не только время для него текло в 637 раз медленнее, чем мое; он при столкновении не только расплющивался в прозрачную ткань толщиной в 637 раз меньше его диаметра, но и его масса оказывалась при столкновении в 637 раз больше, чем соответствующее значение из таблицы частиц. Это увеличение массы можно было легко измерить при прохождении пиона сквозь сильное магнитное поле с минимальным отклонением. Относительность реальна. В своей лаборатории я сталкивался с ней каждый день.

Я мог также непосредственно наблюдать превращение массы в энергию. В экспериментах я использовал пузырьковую камеру на жидком водороде, которую изобрел мой учитель Луис Альварес (американский физик-экспериментатор, член Национальной академии наук США. Прим. ред.). Это устройство создавало след из микроскопических пузырьков по пути движения элементарной частицы. Наиболее драматичные распады происходили с мюонами. Когда с этой частицей происходил радиоактивный «взрыв», ее след неожиданно исчезал и заменялся на новый след от гораздо более легкого, но быстрого электрона. Значительная масса мюона прямо преобразовывалась в кинетическую энергию, то есть энергию движения электрона.

В своей лаборатории я также часто видел антивещество[44]. Позже я расскажу о нем подробнее, но для нынешней темы особенно интересно, что когда антивещество замедляется при столкновении с веществом, оно аннигилирует – в смысле превращает всю свою массу и массу цели в энергию, обычно в гамма-излучение, которое впоследствии преобразуется в тепло. Я каждый день видел, как масса становилась теплом. Столкновение вещества и антивещества содержит огромное количество энергии, в тысячи раз больше, чем энергия ядерного синтеза, и в миллиард раз больше, чем энергия бензина. Именно поэтому смесь вещества и антивещества была представлена в качестве топлива для межзвездного корабля Starship в фантастическом триллере «Звездный путь»[45].

Процесс взаимоуничтожения вещества и антивещества сейчас в повседневной практике используется в медицине для томографии. Чаще всего «антиэлектрон» называется позитроном, и именно от этого названия происходит буква Р в аббревиатуре РЕТ (позитронно-эмиссионная томография). В этом методе используется то обстоятельство, что некоторые радиоактивные вещества, например изотоп[46] йода – йод-121, испускают позитроны. В теле человека он накапливается в щитовидной железе. Когда йод излучает позитроны, эти частицы сталкиваются с близкорасположенными электронами и взаимно аннигилируют, создавая гамма-лучи. Специальная камера улавливает эти лучи и создает изображение щитовидной железы. На таком изображении можно увидеть участки этого органа, не накапливающие йод, – они выглядят на скане как белые пятна.

Некоторые ошибочно полагают, что уравнения Эйнштейна сыграли важную роль в создании атомной бомбы. Это не так. Еще до него было известно, что при радиоактивном распаде выделяется огромное количество энергии. Для создания атомной бомбы было достаточно этого знания и открытия возможности цепной реакции.

Венгерский физик Лео Сцилард[47] в 1936 году запатентовал бомбу, действие которой основывалось на сделанных к тому времени открытиях. (Патент был выдан в Англии, куда Лео перебрался от угрозы нацизма; в 1937 году он переехал в Нью-Йорк.) В 1939 году Сцилард составил письмо[48] в адрес президента США Рузвельта и убедил Эйнштейна подписать его. Письмо побудило Рузвельта к началу Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы. Из уравнений Эйнштейна мир узнал, что в результате небольшого уменьшения масс делящихся атомов может выделяться огромная энергия. Но сам этот вывод при создании атомной бомбы не использовался.

Время, энергия и красота

[49]

Некоторые относятся к энергии как к настолько же таинственному понятию, что и время. Самым удивительным и самым полезным свойством энергии, хотя и не таким уж очевидным, можно считать то, что она сохраняется. Что это означает? Если сохраняется и без нашего вмешательства, то почему экологи столько кричат о необходимости сохранения энергии? Судя по всему, этим они призывают нас минимизировать энтропию в природе. Мы подробнее поговорим об энтропии в части II. И все же не нужно пытаться сохранять энергию. Она сохраняется автоматически, сама по себе.

Взаимосвязь между временем и энергией очень глубока. Впервые она была раскрыта Эмми Нётер[50], которую Эйнштейн считал одним из самых значительных и креативных математиков всех времен. Нётер показала, что в классической физике нет необходимости постулировать сохранение энергии и что для любого из видов уравнений (механических, электрических, квантовых) есть принцип, который может быть использован для доказательства сохранности энергии. Это принцип временной инвариантности.

Говоря простым языком, теория инвариантности означает, что законы физики не меняются со временем. В классической физике F = ma, и это уравнение так же верно сегодня, как и вчера. Теорема Нётер[51] показала: если вы признаете инвариантность времени, всегда будут показатели, которые рассчитываются на основе теории (масса, скорость, местоположение, поле) и никогда не изменятся. В классической физике теория инвариантности подразумевает ньютоновское сохранение энергии как сумму энергии кинетической и потенциальной. Подход Нётер прояснил определение энергии в любом новом наборе уравнений, например относящихся к теории относительности. Я говорю об Эмми Нётер и ее замечательных умозаключениях в Приложении 2.

Связь между временем и энергией даже еще более глубокая. В результате работы Нётер мы понимаем, почему время и энергия появляются в квантовой физике вместе. Как я более детально расскажу в части III, именно такое понимание этой взаимосвязи позволило Ричарду Фейнману представить антивещество как вещество, двигающееся во времени в обратном направлении.

Такие глубокие ассоциации, которые связывают два понятия (времени и энергии), кажущиеся совсем не связанными друг с другом, представляют собой то, что физики называют «красотой» физической науки. Необязательно соглашаться с тем, что эти взаимосвязи суть воплощение красоты. Вы можете считать, что солнечная радуга или глаза ребенка волнуют вас гораздо больше. Но этот пример, во всяком случае, может показать, что об этом думают физики.

Что же особенного в скорости света?

Когда я был подростком и прочитал о теории относительности (в замечательной книге Георгия Гамова[52] One Two Three… Infinity («Один, два, три… бесконечность»), то задал себе вопрос: «Что особенного в свете, если обозначение его скорости с[53] присутствует во всех основных уравнениях, связанных с релятивизмом? Разве свет – это более фундаментальное явление, чем, скажем, электрон?»

Когда я начал изучать физику, сначала в старшей школе, потом в колледже и докторантуре, а затем и всю оставшуюся жизнь, понял: свет просто оказался тем первым явлением, которое обладало совершенно особенным качеством – нулевой массой покоя, то есть тем, что записывается в уравнениях как m. (Релятивистская масса обозначается γm.) Теперь мы знаем и о других таких частицах. Гравитационные волны, которые состоят из гипотетических частиц, называемых гравитонами, тоже обладают нулевой массой покоя (или нулевой массой поля) и движутся со скоростью света. То есть уравнения в теории относительности мы могли бы записать и без включения в них скорости света, а использовать для этого скорость гравитонов. Тогда буква с в уравнении обозначала бы их скорость. Такая частица, как нейтрино, тоже не имеет массы покоя. Ее можно называть безмассовым нейтрино. Тогда с обозначала бы скорость безмассового нейтрино.

Лучше всего было бы назвать с эйнштейновой скоростью. Ее можно было бы обозначить и как предельную скорость, то есть максимальную, которую способна развить масса. Тогда она существовала бы независимо от фотонов, действительно движущихся со скоростью света. По теории относительности, все лишенные массы частицы передвигаются с эйнштейновой скоростью. Именно она имеет фундаментальное значение. Фотоны, гравитоны и безмассовые нейтрино (если они существуют) имеют скорость света. Мы также считаем, что на ранних этапах существования Вселенной, еще до того, как образовалось так называемое поле Хиггса, все частицы (включая электроны и составные части протона, или кварки) были безмассовыми и двигались с эйнштейновой скоростью, то есть со скоростью света.

Парадоксальность нулевой массы покоя фотонов или других безмассовых частиц состоит в том, что привести их в состояние покоя, то есть остановить, невозможно. У них нулевая энергия (гамма-фактор составляет 1, а m – 0, так что энергия также будет равна нулю: E = γmc² = 0). Поэтому такая частица не будет существовать в состоянии покоя. Если мы, например, попытаемся привести свет в состояние покоя за счет поглощения его черной поверхностью, он отдаст всю энергию, нагревая эту поверхность, и света больше не будет.

Черные дыры

Черные дыры – это гигантские объекты с огромной массой, плотностью и гравитацией, куда можно провалиться, но вернуться откуда невозможно. Это загадочное их качество, видимо, задает направленность времени. Более того, изучение черных дыр, судя по всему, приведет нас к обнаружению других свойств времени, которые будут еще более странными, чем те, о которых мы говорили.

Идея черной дыры зародилась еще в 1763 году у английского ученого Джона Мичелла[54], который понял, что вторая космическая скорость[55] у массивных звезд может даже превышать скорость света. Если свет не может преодолеть их силу гравитации, такие звезды будут казаться черными. Мичелл даже сделал соответствующие вычисления на основе составленного им уравнения, которое оказалось правильным. Однако идея ученого не привлекла особого внимания, потому что в то время науке уже было известно о волновой природе света, и многие ошибочно полагали, что волны не могут быть остановлены силой гравитации. Теперь из теории относительности мы знаем: поскольку волны обладают энергией, то они обладают и массой, и сила гравитации на самом деле воздействует на них.

Чтобы образовалась черная дыра, вторая космическая скорость которой будет очень высокой, в маленьком объеме пространства должна сосредоточиться колоссальная масса. Предположим, мы смогли сжать массу Солнца в шар, имеющий 1 километр в диаметре. Благодаря знаниям из начального университетского курса физики высчитаем, что в этом случае скорость убегания от него составит 500 млн м/с, или примерно 1,7 скорости света[56]. Свет не сможет прорваться к нам с поверхности такого светила. «Сжатое» таким образом Солнце будет абсолютно черным.

Теория относительности позволяет вывести свойства черной дыры другим способом, через релятивистское увеличение массы. Энергия, необходимая для запуска спутника в космос, зависит от его массы. Однако чем большая скорость ему придается, тем большей массой он обладает. Таким образом, высокая скорость увеличивает и силу гравитационного притяжения. Если масса звезды достаточно велика, а ее радиус достаточно мал, то никогда не будет возможно сообщить спутнику такую кинетическую энергию, которая преодолела бы увеличивающуюся силу гравитации.

На жаргоне физиков это выглядит так: кинетическая энергия (энергия движения) всегда будет меньше, чем энергия связи (энергия потенциальная) такой звезды. Спутник упадет независимо от придаваемой ему скорости. Это произойдет, если масса звезды M будет сжата в радиус R. При этом формула для вычисления радиуса выглядит следующим образом:

R = 1,5 × 10−27M[57].

Это значение R называется радиусом Шварцшильда, или гравитационным радиусом (радиусом сферы, на которой сила тяготения, создаваемая массой m, лежащей внутри этой сферы, стремится к бесконечности).

Масса Земли составляет 6 × 10^24 кг. Если подставить это значение в вышеприведенную формулу, то гравитационный радиус Земли окажется около 0,01 м, или 1 см. Моя масса равна 83 кг, поэтому я превращусь в черную дыру, если мою массу можно будет «впихнуть» в радиус R = (1,5 × 10−27)(83) = 1,3 × 10−25 м. Это в миллиард раз меньше, чем ядро атома.

Ученые считают, что существует механизм, который превращает объекты в несколько раз тяжелее Солнца в черные дыры. Он включает в себя так называемую вспышку сверхновой звезды. Взрыв сопровождается выбросом значительной массы вещества из внешней оболочки звезды в межзвездное пространство, а внутреннее ядро звезды при этом подвергается гравитационному коллапсу – катастрофически быстрому сжатию под действием гравитационных сил. Несколько известных астрономических объектов, считающихся черными дырами, судя по всему, образовались именно таким образом. Среди них Лебедь Х-1 – известный галактический источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя.

Этот объект стал предметом знаменитого (среди физиков) пари между американским физиком и астрономом Кипом Торном и известным английским физиком-теоретиком и специалистом по черным дырам Стивеном Хокингом. Торн утверждал, что Лебедь Х-1 – настоящая черная дыра, Хокинг был убежден в обратном. Через 15 лет Стивен признал, что был неправ. Он выполнил условие пари и подарил Торну подписку на журнал Penthouse. Конечно, в результате этого проигрыша приобрел пользу и Хокинг, поскольку проводившиеся им в предыдущее десятилетие исследования черных дыр оказались бы лишенными смысла, если бы этих дыр действительно не было. Это признал и сам Хокинг. Как ни парадоксально, но далее я покажу, что Лебедь Х-1 пока не считается черной дырой с точки зрения теории относительности, хотя и очень близок к этому.

Нам неизвестны механизмы, которые превратили бы в черные дыры Землю или меня самого.

* * *

Людей волнуют в теории относительности не таинственные черные дыры, а явное противоречие, которое возникает в связи с возможностью замедления времени. Движущийся человек старится медленнее, чем тот, что находится в состоянии покоя. Хорошо, но разве любое движение не относительно? Кто из этих людей движется, а кто остается неподвижным? Это звучит таким образом, что оба они должны медленнее стареть.

И это действительно так, только в соответствующих системах отсчета. Но что же тогда происходит, когда один из них возвращается и они встречаются? Они не могут быть оба моложе, когда стоят друг против друга. Феномен времени легче понять, тщательно разбирая эти парадоксы.

Глава 4

Противоречия и парадоксы

Релятивизм выглядит логически непоследовательным, пока вы не посмотрите на него пристально и тщательно…

Всякая истина проходит через три этапа. На первом ее высмеивают. На втором ей яростно сопротивляются. На третьем принимают как самоочевидную.

Часто приписывается Артуру Шопенгауэру

Парадокс, парадокс.

Самый гениальный парадокс.

Комическая опера «Пираты Пензанса»[58]

Открытие Эйнштейном того, что время для движущихся объектов замедляется, имело ошеломляющий резонанс. Обнаружение относительности порядка происхождения событий вызывало беспокойство. А его последующие выводы касательно энергии показались вообще невероятными. Более всего изучение Эйнштейном времени показало, что само время полно неожиданностей и что сделанные ученым выводы влияют не только на наши представления о Вселенной, но и на повседневную жизнь.

Даже если вы соглашаетесь с теорией Эйнштейна, некоторые ее последствия не перестают удивлять. Сформулированные определенным образом, результаты исследований ученого приводят к явным противоречиям, которые могут свести с ума не только студентов, но и некоторых профессоров. Два самых известных и сбивающих людей с толку из таких противоречий получили название парадокс близнецов и парадокс шеста и сарая. Здесь я привожу еще третий парадокс – тахионное убийство[59].

Теория относительности совершенно последовательна, однако для новичка это не всегда очевидно. Явные противоречия и парадоксы в ней основаны на простых ошибках, подобных присутствующим в доказательстве[60], что 1 = 2. Вы можете подумать, что эти парадоксы мучают только начинающих? Но и у искушенных профессионалов существуют предрассудки и представления, о которых они не догадываются. В результате даже многие профессора путаются, пытаясь объяснить эти парадоксы своим студентам.

Парадокс шеста и сарая

У фермера есть сарай длиной 6 метров с дверью в торце. Свой 12-метровый шест он хотел бы хранить в сарае. Он изучал теорию относительности, поэтому хочет использовать эффект сжатия объектов, чтобы уместить шест внутри сарая. Он разбегается и бежит со скоростью, достаточной, чтобы длина шеста уменьшилась наполовину. Это означает, что гамма-фактор в этом случае будет равен 2. Фермер намеревается закрыть дверь сарая, когда шест окажется внутри. По его мнению, это должно получиться.

Однако как только фермер начнет разбегаться с шестом, он поймет, что в его собственной системе отсчета (когда он бежит), короче становится не шест, а сарай. При этом гамма равна 2. Значит, сарай оказывается длиной всего 3 метра. Собственную систему отсчета бегущего фермера можно считать и системой отсчета шеста, поэтому он сохраняет неизменной длину 12 метров. Конечно, 12-метровый шест не помещается в 3-метровый сарай. Однако в собственной системе отсчета сарая шест в него легко входит. Что же на самом деле произошло? Удалось фермеру поместить шест в сарай или нет? Как ответ зависит от системы отсчета? Ведь шест либо помещается в сарае, либо нет. Двух правильных ответов быть не может.

Этот парадокс легко разрешается, если будет очень точно сформулирован. Под словами внутри сарая мы подразумеваем, что оба конца шеста оказываются в сарае одновременно. Это с точки зрения собственной системы отсчета сарая. То есть имеется в виду, что когда передний конец шеста ударяется о заднюю стенку сарая, одновременно с этим за задним концом шеста закрывается дверь. Однако два этих события не одновременны с точки зрения собственной системы отсчета шеста. В этой системе отсчета сначала передняя часть шеста ударяется о стенку сарая, и только потом задняя часть шеста входит в дверь.

Как всегда, оба наблюдателя согласны друг с другом. Оба говорят, что концы шеста находятся в сарае. В собственной СО сарая два этих события одновременны. В собственной СО шеста, даже если оба его конца оказываются в сарае, они делают это не одновременно. «Нахождение внутри сарая» – утверждение, которое хитро обходит вопрос об одновременности событий.

Для тех, кто интересуется математическими деталями, в Приложении 1 приводятся вычисления, иллюстрирующие разрешение этого парадокса.

Парадокс близнецов

Представьте себе близнецов Джона и Мэри. Им по 20 лет. Джон остается дома, а Мэри отправляется в путешествие на далекую планету в космическом корабле, летящем с большой скоростью. Скорость корабля дает гамма-фактор замедления времени, равный 2. С точки зрения Джона, Мэри остается моложе. Однако с точки зрения Мэри, моложе остается Джон. Но они не могут быть правы оба. Что произойдет, когда Мэри вернется? Они поймут, кто моложе, только когда встретятся. Парадокс!

Чтобы его разрешить, мы опять-таки должны очень тщательно подбирать слова. Нужно быть очень осторожным с представлениями о том, что понимать под одновременностью, которые могут быть скрытыми и неправильными. Мы также должны отдавать себе отчет, что люди могут сообщать о результатах своих наблюдений, только используя координаты собственных систем отсчета.

Что касается путешествия Мэри, близнецы во всем согласны. Мэри движется относительно собственной СО Джона. Джон движется относительно собственной системы отсчета Мэри. В СО Джона моложе Мэри; в СО Мэри моложе Джон.

Хорошо, но что произойдет, когда Мэри прекратит движение вперед, вернется, встретится с Джоном и они сравнят свой возраст? В этот момент их собственные системы отсчета будут идентичными. Кто из них окажется моложе? Оба моложе быть не могут. И в действительности оба они не станут моложе.

Этот парадокс может быть разрешен при рассмотрении вопроса об одновременности. С числами я поработал в Приложении 1, где приведены предположительные величины скоростей и расстояний. Прежде чем Мэри повернет назад, в ее собственной системе отсчета Джон будет моложе. Это значит, что свой последующий день рождения она будет праздновать одновременно с предыдущим днем рождения Джона. Однако после того как Мэри повернет назад, в ее собственной системе отсчета эти два события уже не будут одновременными. В новой системе отсчета Джон одновременно с Мэри празднует в свой день рождения гораздо больше лет, чем она.

По пути Мэри назад в ее СО движется уже Джон, поэтому он стареет медленнее. Однако «прыжок» во времени был столь значительным, что при их встрече Джон все еще будет старше Мэри. Это тот же результат, который мы получили бы, если бы делали все вычисления в собственной СО Джона. Уравнения и расчеты приведены в Приложении 1, однако упомянутый «прыжок» времени и потеря одновременности оказываются ключевыми факторами.

Но разве не относительно любое движение? Кто определяет повернувшего назад? Не можем ли мы допустить, что это Джон направился назад, а не Мэри?

Нет, не можем. Относительно того, кто именно повернул назад, несогласия между наблюдателями нет. Именно Мэри отправилась в путешествие, и именно она испытала на себе ускорение. И Джон, и Мэри знают, что собственная система отсчета Мэри двигалась с ускорением, а собственная система отсчета Джона – нет. В теории относительности не будет истиной то, что «любое движение относительно». Истиной будет то, что вы можете делать все свои вычисления в любой СО, которая движется с постоянной скоростью. Если СО движется с ускорением, вы должны принимать во внимание «прыжки» времени относительно отдаленных событий.

Тахионное убийство

Кажущийся странным вывод теории относительности о том, что порядок событий может меняться для разных систем отсчета, открывает перед нами новую сторону действительности: глубокие вопросы причинности и свободы воли. Эти вопросы можно инсценировать историей о тахионном убийстве.

Тахион – это гипотетическая частица, которая двигается со скоростью больше скорости света. Примечательно, что теория относительности не отрицает возможности движения частиц с такими скоростями. Она говорит только, что лишенные массы частицы должны двигаться со скоростью света, а частицы, обладающие ненулевой массой, не могут двигаться с такой скоростью (поскольку гамма-фактор тогда составлял бы бесконечность и они обладали бы бесконечной энергией). Уравнения теории относительности не отрицают принципиального существования скоростей больше скорости света.

Как можно заставить что-то двигаться со скоростью больше скорости света, не минуя саму скорость света? А для этого нужно, чтобы это что-то родилось на сверхсветовой скорости. Почему бы и нет? Фотоны не разгоняются до скорости света – они обладают этой скоростью с момента своего создания. Возможно, мы могли бы создать и тахион, который с момента своего образования двигался со скоростью больше скорости света. Это не противоречило бы теории относительности. И это как раз то представление, которое разделяют физики, жаждущие обнаружить тахион.

Откройте тахион, докажите, что он существует, и вы впишете свое имя в анналы физики. Однако, несмотря на общее оживление относительно таких поисков, я много лет назад отказался от идеи обнаружить тахион. Причины моего убеждения граничат с религией. Я верю, что обладаю свободой воли и что существование тахионов противоречило бы ей. Позвольте объяснить все по порядку.

Представьте, что Мэри стоит в 12 метрах от Джона. В ее руках тахионное ружье, которое стреляет тахионными пулями, движущимися со скоростью 4с, то есть в четыре раза быстрее света. Она стреляет. Свет движется со скоростью 0,3 м/нс (наносекунда – одна миллиардная доля секунды), соответственно, тахионы летят со скоростью 1,2 м/нс. Всего за 10 наносекунд тахионная пуля достигает сердца Джона и убивает его. Давайте предположим, что он умирает моментально.

Мэри подвергают суду. Она не отрицает очевидных фактов, однако настаивает, что может оспаривать обвинение в любой системе отсчета, которую выберет. Судья знает, что все системы отсчета равноценны, поэтому соглашается с Мэри. Она выбирает СО, движущуюся с половинной скоростью света, ½с. Поскольку эта система отсчета движется медленнее, чем свет, с точки зрения теории относительности она вполне правомерна.

В земной системе отсчета два события (выстрел из ружья и удар пули) разделены +10 наносекундами. Как я показываю в Приложении 1, те же два события, описанные в системе отсчета, которая движется с половинной скоростью света, будут иметь разделение во времени −15,5 нс. Отрицательный знак означает, что они будут происходить в обратной последовательности. Пуля войдет в сердце жертвы до того, как Мэри выстрелит! У Мэри абсолютное алиби. Когда она нажимала на курок, Джон был уже мертв. Нельзя убить мертвого человека. Мэри ожидает, что суд ее оправдает.

Пример с тахионным убийством строится на том же принципе относительности, что и породившие сомнения парадоксы с близнецами и фермером с его шестом и сараем. Если два события достаточно разделены в пространстве и не очень отличны по времени, всегда будут существовать такие системы отсчета, в которых порядок событий может стать обратным. Такие отдаленные события – «пространственноподобные». Два события, которые происходят рядом, но разделены по времени, называются «времениподобными». Порядок пространственноподобных событий зависит от системы отсчета; порядок времениподобных событий от СО не зависит.

И вновь за подробными вычислениями я отсылаю вас к Приложению 1.

Возможна ли в принципе история с тахионным убийством? Как может быть правильным расчет на основании половинной скорости света, если он приводит к таким абсурдным последствиям? Означает ли это, что тахионов не существует или что теория относительности – бессмыслица? А если тахионы действительно будут обнаружены?

Свобода воли поддается проверке

Одним из возможных решений парадокса о тахионном убийстве может быть утверждение, что в том мире, где есть ружья, стреляющие тахионами, у Мэри нет свободы воли. Даже несмотря на то что она нажала на курок после смерти Джона, у нее не было вариантов, поскольку без свободы воли наличие у человека выбора иллюзорно. Все действия Мэри возникают под воздействием сил и влияния, происходящих извне. Джон умер в связи с тем, что нажатие Мэри на курок было неизбежно. Неизбежность физических законов создала картину стрельбы и смерти, и порядок происхождения этих событий уже не важен. В том, что мир управляется причинно связанными между собой физическими уравнениями, нет никакого парадокса. История с Мэри и Джоном представляет проблему, только если мы будем думать, что у людей есть свобода воли, и если вы будете считать, что Мэри могла решить не стрелять из ружья. Если же руководствоваться исключительно законами физики, Мэри просто делает то, что заставляют ее делать различные силы и влияния.

Вот поэтому я и не ищу тахионы. Думаю, что обладаю свободой воли. В физике ничто не противоречит этому, во всяком случае пока тахионы не существуют (и пока верны уравнения теории относительности). Разумеется, вполне возможно, что моя собственная свобода воли – всего лишь иллюзия, и я всего лишь комбинация сложных молекул, реагирующих на локальные воздействия. В этом случае, если бы я обнаружил тахион, то испытывал бы дискомфорт от того, что не мог приписать бы себе это открытие. Хотя и вошел бы в историю физики. Открытие было бы не мое.

С другой стороны, можно назвать интригующим обстоятельством то, что с научной точки зрения теория свободы воли вполне опровержима. Я расскажу о том, что подразумевается под опровержением, когда мы будем обсуждать стрелу времени. Сейчас могу лишь утверждать одно: ученые обычно соглашаются, что какая-то теория научна, если автор может ее опровергнуть[61]. Некоторые теории типа «разумного замысла» не отвечают этому условию. А вот теория о наличии у нас свободы воли как раз ему соответствует. Она содержит в себе как минимум одно поддающееся опровержению утверждение о том, что тахионов не существует.

Тахионный парадокс не работает, когда речь идет о скоростях ниже скорости света. Я показываю в Приложении 1, что если два события разделены пространственным интервалом D и временным интервалом T, тогда D/T меньше скорости света (то есть пуля движется со скоростью меньше скорости света, и два события становятся времениподобными) и порядок событий будет одинаковым во всех системах отсчета. Если вы выстрелите в кого-то настоящей пулей, смена систем отсчета не поможет вам в деле об убийстве. Во всех СО вы выстрелите раньше, чем умрет жертва.

Время от времени та или иная команда ученых приходит к выводу, что обнаружила тахион, и делает соответствующее заявление. Так случилось в 2011 году, когда ЦЕРН[62] (Европейская организация по ядерным исследованиям, крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий, которая расположена неподалеку от Женевы) сообщил, что ее физики наблюдали некоторые (не все) элементарные частицы нейтрино, двигавшиеся со скоростью больше скорости света. Заголовки в СМИ провозгласили тогда обнаружение тахионов-нейтрино открытием века. Меня это не взволновало. Такого рода эксперименты очень трудны для проведения и часто содержат систематические ошибки. И действительно, менее чем через год ЦЕРН выпустил второе заявление, которое снимало заявку на открытие и приписывало ошибку неисправному оборудованию.

Тахионы, если они действительно существуют (а мы в этом случае не обладаем свободой воли), должны иметь очень интересные свойства. Гамма-фактор γ на самом деле мнимое число (это квадратный корень из отрицательного числа[63]). Мы знаем, что энергия вещественна (из теоремы Эмми Нётер, см. главу 3). Так что для вещественной энергии E = γmc² масса также должна быть мнимой. Тахионы обладают мнимой массой. Это ничего, в главе 6 я покажу, что мнимые числа вообще-то не совсем мнимые: они в действительности существуют. Но, что еще более любопытно, по мере приобретения тахионами все более ускоряющейся сверхсветовой скорости, то есть по мере приближения ее к бесконечности, их энергия уменьшается! Тахионы с нулевой энергией будут двигаться с бесконечной скоростью. Энергия тахионов приближается к бесконечности по мере снижения скорости до скорости света. Такое поведение тахионов обратно поведению других частиц.

Кстати, в том деле с тахионным убийством Мэри была признана виновной. Когда судья объявил об этом, он объяснил, что не имел другого выбора. У него не было свободы воли, поэтому он поступал так, как заставляли его вести себя действующие на него силы.

* * *

В центре всех этих парадоксов находится трудный для понимания аспект одновременности. Гораздо легче воспринять идею о том, что время замедляется или что двигающийся объект становится короче, чем спокойно осознавать, что слово сейчас не имеет одного универсального значения.

Давайте посмотрим на другой парадокс: явление, когда отдаленные в пространстве объекты оказываются очень близко друг от друга за очень короткий интервал времени. Если расстояние разделить на наблюдаемое вами время, то скорость – то есть тот показатель, с которым отдаленный объект приблизился к другому, – может быть значительно выше скорости света. И это не противоречит теории относительности.

Глава 5

Предел скорости света, уловки скорости света

Расстояние между объектами вполне может изменяться быстрее скорости света…

Это корабль, который проскочил Дугу Кесселя меньше чем за 12 парсек![64]

Хан Соло[65] в фильме «Звездные войны»

Хотя никакой обычный объект (который может оказаться в состоянии покоя) не может двигаться быстрее скорости света, расстояние между нами и отдаленным объектом можно сократить со сколь угодно высокой сверхсветовой скоростью, не нарушая при этом законов теории относительности. Парадоксальное отличие скорости от скорости изменения расстояния окажется очень важным, когда я буду рассказывать о расширении Вселенной в корреляции с течением времени. Начну с тесной связи между ускорением и гравитацией.

Принцип эквивалентности Эйнштейна

Некоторых людей раздражают научно-фантастические фильмы, где астронавты разгуливают по своим космическим кораблям так, словно на них есть гравитация. В некоторых фильмах (таких как «2001 год: космическая одиссея» и «Интерстеллар») декорации кораблей дополнены вращающимися секциями, которые создают искусственное притяжение. (Следует отметить, что в этих фильмах правильно изображена скорость вращения кабин космических кораблей, при которой возможно возникновение практически земной гравитации.) Однако звездолет Enterprise в фантастической саге «Звездный путь» имеет внутреннюю силу тяжести безо всякого вращения. Это кое-кому не нравится, но не мне. Судя по всему, капитан звездолета Кирк располагает огромными запасами энергии в топливе из антивещества. Именно поэтому, как я полагаю, даже в глубинах Галактики ему ничего не стоит поддерживать ускорение корабля 1g, то есть такое же, как на Земле. Это позволяет капитану обеспечить на звездолете искусственную гравитацию. Ускорение может действовать на человека по направлению движения корабля или перпендикулярно ему, в зависимости от того, из какого иллюминатора он хочет окинуть взглядом межгалактическое пространство.

А вот одна любопытная вещь. Придавая себе ускорение 1g в течение года, вы в итоге превысите скорость света, если, конечно, законы классической физики верны. Вы можете достичь гигантской скорости! Выходит, в научно-фантастических фильмах о космических путешествиях есть здравый смысл.

На самом деле год, проведенный с ускорением 1g, не придаст вам скорости света из-за релятивистского эффекта. Мы же допустили постоянное ускорение 1g в земной системе отсчета. Чтобы получить сравнимую с земной силу притяжения, мы должны создать ускорение 1g в системе отсчета, совпадающей с собственной СО космического корабля. Если используем формулы теории относительности, окажется, что для достижения ускорения а в нашей системе отсчета ускорение по отношению к СО Земли составит а, деленное на куб гамма-фактора: a/γ³.

Эта формула достаточно проста, чтобы рассчитать условия космического путешествия с помощью таблицы. Создайте колонки для времени, местоположения и собственного ускорения 1g (а = 9,8 [м/с²] = 35,28 [км/час] каждую секунду); колонки для гаммы, интервала собственного времени (временного интервала, поделенного на гамму) и так далее. Разделите время на короткие интервалы и сложите небольшое количество собственного времени, чтобы получить полное собственное время. Вы придете к интересным результатам. За один год (собственного времени) космический корабль, движущийся с ускорением 1g, достигнет световой скорости 0,76; через два года – 0,97; через три – 0,995. Конечно, скорости света достичь не сможет.

Предположим, капитан Кирк принимает решение отправиться на одну из ближайших к нам звезд – Сириус. Он не использует никаких специальных эффектов, а выбирает равномерное собственное ускорение 1g. Путь на Сириус займет 9,6 лет, но за это время капитан состарится только на 2,9 года. (Я рассчитал этот и другие нижеприведенные результаты по таблице.) Когда он достигнет звезды, в его системе отсчета Сириус будет приближаться к нему со скоростью 99,5 % от скорости света. Земля останется далеко позади, но из-за сжатия пространства будет отстоять не на 8,6 световых лет, а всего на 0,9 светового года. Это соответствует тому, что по своим ощущениям Кирк находился в путешествии всего 2,9 лет. Если бы он захотел остановиться на Сириусе, ему следовало первую половину пути обеспечивать ускорение 1g, а вторую – торможение 1g.

Капитан Кирк постарел на 2,9 года, однако расстояние до Сириуса изменилось на 7,7 световых лет. Таким образом, скорость сокращения расстояния составила 7,7/2,9 = 2,6 световых года за год, или в 2,6 раза выше скорости света. Этот феномен я называю уловкой скорости света. Расстояния, измеряемые в ускоряющихся системах отсчета, могут изменяться с произвольной скоростью. Причина в том, что при ускорении вашей собственной СО расстояние до отдаленного объекта может меняться с произвольной быстротой. «Переключите» вашу СО с одной скорости на другую, и расстояние неожиданно окажется меньшим в γ раз.

Достижение скорости света

Можно ли в реальности достигнуть скорости света? Что тогда будет со временем? Безразмерная скорость (соотношение v/c) достигнет 1. Гамма-фактор замедления времени / сокращения длины движущегося объекта станет бесконечным. Это заставляет предположить: когда вы достигнете скорости света, ваше время остановится (в земной системе отсчета), а объем вашего тела будет равен нулю. Более того, поскольку гамма-фактор будет равняться бесконечности, то ваша энергия γmc² тоже будет бесконечной. Так что вы могли бы достичь скорости света, если бы приложили бесконечную энергию к себе и ускорялись бесконечное время. Бесконечность – это гораздо больше, чем вся энергия Вселенной, поэтому такой путь нереален.

Теперь давайте посмотрим на действительно большие скорости, которые уже были достигнуты человечеством. BELLA – это ускоритель электронов, созданный в лаборатории Lawrence Калифорнийского университета в Беркли (где я большей частью проводил свои исследования). Для ускорения электронов установка BELLA использует лазер, поэтому ее буквенное сокращение расшифровывается как Berkely Lab Laser Accelerator («Лаборатория лазерных ускорителей в Беркли»). Установка длиной всего 9 см способна разгонять электрон, сообщая ему энергию 4,25 ГэВ в течение миллиардных долей секунды. ГэВ – это сокращение, обозначающее миллиард электрон-вольт (гигаэлектронвольт). Для сравнения: энергия покоя электрона mc² составляет 0,000511 ГэВ.

Лоренц-фактор (или гамма-фактор) длины для электрона, разгоняемого установкой BELLA, легко рассчитать: это конечная энергия электрона, поделенная на его энергию покоя, поскольку γ = E/mc². Следовательно, в этом случае γ = 4,25 (ГэВ) / 0,000511 (ГэВ) = 8317. BELLA – замечательная установка. Она обеспечивает невероятное ускорение частиц в очень компактном пространстве. Разработка этого «простого» прибора велась долго и трудно.

Давайте направим нашу установку BELLA на Сириус, до которого 8,6 световых лет. В собственной системе отсчета электрона, который только что попал в установку, это и есть расстояние до звезды. Несколько миллиардных долей секунды спустя электрон движется с гамма-фактором, равным 8317. Это 0,9999999927 скорости света. В собственной системе отсчета электрона Сириус в 8317 раз ближе, то есть всего на расстоянии 0,001 светового года. Расстояние между Сириусом и электроном, измеренное в собственной СО электрона, уменьшилось почти на 8,6 световых лет примерно за одну миллиардную дою секунды. Таким образом, быстрота изменения расстояния оказывается более чем в 8,6 миллиарда раз выше скорости света.

Этот пример показывает, что расстояния, измеряемые в ускоряющихся системах отсчета, могут изменяться с произвольно высокой скоростью, например в 8 миллиардов раз превышающей скорость света или даже больше. Такое быстрое изменение расстояние оказывается очень важным для общей теории относительности, поскольку она рассматривает гравитацию как ускорение. Возможность достижения сверхсветовой скорости окажет большое влияние на космологию. Например, в теории Большого взрыва можно постулировать, что галактики неподвижны, просто между ними увеличивается расстояние. Скорость изменения этого расстояния не ограничена скоростью света. Это важно, когда мы говорим об инфляционной модели Вселенной, подразумевающей очень быстрое расширение. В части V мы увидим, что расширение Вселенной сопровождается расширением времени, и последнее объясняет течение времени и значение понятия сейчас.

На верхних этажах время течет быстрее

Гравитация влияет на время. Если вы обитаете на верхних этажах, ваша жизнь идет быстрее, чем на нижних. Этот феномен не подлежит обсуждению. Точно так же, как замедление времени при движении объектов с высокой скоростью, ускорение времени на больших высотах оказывает воздействие на спутники GPS (причем его эффект сильнее влияния скорости) и должно приниматься в расчет для точного определения местонахождения объектов.

Связь между временем и гравитацией была еще одним удивительным предсказанием Альберта Эйнштейна. Он пришел к этому, интуитивно понимая принципиальную неразличимость сил инерции и гравитации, эквивалентность движения с ускорением покоя в гравитационном поле. Свое предположение Эйнштейн назвал принципом эквивалентности.

Капитан Кирк испытывал действие принципа эквивалентности в искусственном гравитационном поле своего корабля. Этот же принцип заметен в старых лифтах, когда они начинают (слишком) быстрое движение вниз. При этом мы ощущаем на какое-то мгновение, что как будто стали меньше весить. Действие этого же принципа ощущается в аттракционе Star Tours («Полет к звездам») в парке развлечений Диснейленд. Вы сидите в закрытом зале и наблюдаете за «космической станцией» через иллюминаторы. Разумеется, это всего лишь искусно сделанные видеоэкраны. Неожиданно включается ускорение: неведомая сила вжимает вас в кресло, а изображение за «иллюминатором» стремительно убегает назад.

Это чрезвычайно убедительная иллюзия. Вы чувствуете ускорение, аналогичное тому, когда самолет разгоняется по взлетно-посадочной полосе или водитель машины резко нажимает педаль газа. Однако на самом деле вы не ускоряетесь. Одновременно с тем, что на видеоэкранах-«иллюминаторах» вы видите уносящееся назад пространство, мощные гидравлические машины приподнимают «кабину космолета» и быстро наклоняют ее назад примерно на 30°. Гравитация – именно то, что притягивает вас к спинке сиденья. Однако, поскольку вы видите стремительную картинку в «иллюминаторах», иллюзия действует на вас очень сильно. В этом аттракционе парка Диснейленд используется принцип эквивалентности Эйнштейна. Гравитация и ускорение неразличимы.

Поскольку гравитация по сути всего лишь ускорение, Эйнштейн смог применить свои уравнения для инерционных систем отсчета, чтобы рассчитать силу тяготения. Затем он пошел дальше и создал общие уравнения, удовлетворяющие даже очень сложным явлениям, вроде гравитации звезд и черных дыр. Однако вся эта работа строилась на принципе эквивалентности: гравитационные силы неотличимы от ускоренного движения ни по каким измерениям.

Один из результатов действия этого принципа я уже упоминал: на верхних этажах время движется быстрее. Уравнение, выражающее его, замечательно своей простотой. Я привожу его в Приложении 1. Коэффициент ускорения обозначен как 1 + gh/c². Число 1 обозначает нормальную скорость течения времени. Двигаться время быстрее заставляет вторая часть этой формулы: h обозначает высоту, g – гравитационное ускорение (ускорение свободного падения, 9,8 м/с²), с – скорость света.

Подставим в эту формулу некоторые числа. Я буду использовать метры и секунды. Предположим, что h – высота одного пролета лестницы – около 3 м, g составляет 9,8 м/с², так что gh равно 29,4 м²/с². Скорость света составляет приблизительно 0,3 м в наносекунду, то есть 300 000 000 м/с (или 3×10^8). Скорость света в квадрате – это 9 × 10^16 м²/с². Таким образом, gh/c² составляет 29,4/(9 × 10^16) = 326×10−18. В сутках 86 400 секунд. Получается, ускорение времени на высоте одного пролета лестницы составит 0,28 нс в день.

Когда в 1915 году Эйнштейн опубликовал статью о взаимодействии гравитации и времени, обнаружить этот эффект не представлялось возможным в силу его ожидаемой крайней малости в слабом гравитационном поле Земли. Десятилетиями он ускользал от ученых. И в 1959 году, к изумлению всего мира, этот эффект замедления времени в поле тяготения был обнаружен и измерен Робертом Паундом[66] и его аспирантом Гленом Ребка в результате лабораторного эксперимента. Они смогли послать гамма-лучи с высоты 23 м и зафиксировать изменения в частоте гамма-излучения у земли с помощью эффекта Мёссбауэра[67], открытого незадолго до этого.

Формула gh/c² предполагает постоянство гравитации. Уравнения становятся более сложными с ее изменением, то есть если вы находитесь высоко в небе. Для специальных случаев, когда требуется определить замедление времени на поверхности Земли или другой планеты по сравнению с отдаленными районами космического пространства, вместо формулы gh/c² лучше использовать gR/c², где R – радиус планеты, а g – сила гравитации на ее поверхности.

Как я уже отмечал, эффект ускорения времени становится весьма ощутимым для спутников GPS. Они вращаются вокруг Земли по орбитам высотой около 20 000 км. Это достаточно высоко, чтобы возникала необходимость сравнивать скорость хода часов на спутниках и на Земле. Правильной формулой здесь будет gR/c². Подставьте числа, и вы увидите, что часы на Земле идут медленнее, чем в космосе, на 0,7 миллиардных доли. Это составляет 60 микросекунд в день, что даст ошибку в измерении расстояния на Земле в районе 18,3 км[68]. И если не будет принят в расчет эффект гравитации на время, за второй день эта ошибка возрастет вдвое – до 36,6 км.

Вы можете посмотреть данные по радиусам и поверхностной силе гравитации у разных планет и звезд и сами высчитать gR/c². По сравнению с часами в космосе время на поверхности Солнца замедляется на 6 миллиардных долей, а на поверхности белого карлика – на одну тысячную долю. Время полностью останавливается на поверхности черной дыры (радиус Шварцшильда). Последнее явление просто поражает воображение и сыграет важную роль в моем последующем рассказе о черных дырах.

Фильм «Интерстеллар» весьма интересно изображает замедление времени возле черной дыры. Группа астронавтов направляется к ней на спускаемом аппарате (не совсем к поверхности, но на достаточно близкое расстояние. В принципе, вы можете вернуться из такой экспедиции, если только не достигнете радиуса Шварцшильда, то есть горизонта событий). В это время один астронавт остается в корабле, находящемся на орбите над черной дырой. Когда экспедиция всего через несколько дней возвращается на корабль, находит своего коллегу постаревшим на 22 года. Астронавты пытаются спасти Землю, но знают, что их время течет гораздо медленнее, чем в окружающем пространстве. Они понимают, что экологическая катастрофа на нашей планете развивается значительно быстрее, чем идет время их жизни. Эффект замедления времени – враг, заставляющий их действовать с чрезвычайной быстротой. Этот же эффект подразумевает, что когда (и если) они вернутся на Землю, их дети будут уже старше своих родителей. (Я не собираюсь популяризировать сюжет фильма, но изображение в нем эффекта замедления времени можно назвать точным, ярким и запоминающимся.)

* * *

Эйнштейн показал, что время события оказывает влияние на его местоположение в пространстве, и наоборот. Однако только бывший учитель математики гения первым признал важность его открытия, даже не осознавая того. Он объединил пространство и время, чтобы сделать вывод: эти две величины больше нельзя рассматривать отдельно, они составляют единое явление пространства-времени.

Глава 6

Мнимое время

Пространство и время едины…

Кроме известных человеку, есть еще пятое измерение.

Род Серлинг, «Сумеречная зона»[69]

После того как Эйнштейн опубликовал свои первые статьи по теории относительности, его бывший учитель математики Герман Минковский[70] был весьма удивлен. Он не запомнил Эйнштейна как особо выдающегося студента. (Неправильно говорить, что юный Альберт оказался слаб в математике: просто курс Минковского был действительно очень продвинутый.) Однако работы Эйнштейна по релятивизму были революционны, поражали воображение и опирались на твердое научное основание. Они изменили жизнь и учителя.

Вскоре сам Минковский сделал огромный рывок вперед, оказав колоссальное обратное влияние на Эйнштейна. Неизбежным следствием этого влияния стало создание уравнений, на которых сегодня зиждется вся наука о Вселенной: общей теории относительности.

Уравнения Эйнштейна связали пространство и время. Он доказал математически, что время события зависит не только от времени в другой системе отсчета, но и от его расположения в пространстве. Минковский взял уравнения Эйнштейна и сделал с ними то, что могло показаться неким трюком. На самом деле он основывался на глубокой идее. Минковский сформулировал теорию относительности особым образом, в котором пространство и время представляли собой координаты в пространственно-временном континууме. Чтобы добиться этого, ему пришлось сделать временную координату мнимой.

Мнимое время? Под этим я подразумеваю, что событие определяется четырьмя числами: x, y, z и it, где i = √−1 (мнимая единица), а t – время. Зачем нужно было делать такую странную вещь? Логика Минковского состояла в том, что это превращало комбинацию координат в математический объект, который мы называем вектором и который обладает очень полезными свойствами.

Можно решить, что превращение времени в мнимое ради математического выигрыша означает выплескивание ребенка из купели вместе с водой. Мы знаем, что время реально (вещественно). Рассматривать его как мнимое кажется сумасшествием. Но для физиков и математиков мнимые числа совсем не воображаемые.

Придется посмотреть понятию мнимости прямо в глаза, поскольку оно встречается не только в релятивизме, но и в квантовой физике, так как квантовая волна оказывается комбинацией вещественных и мнимых значений, то есть комплексным числом. Для состояний с хорошо определяемой энергией время в квантовой физике объединено с √−1 в показателе экспоненты, что дает график временной зависимости. Так что давайте поговорим о мнимых числах.

Нуль, иррациональные и мнимые числа

Чтобы понять, что такое мнимое время, необходимо осознавать, что термин мнимый используется в физике и математике в несколько ином смысле, чем в литературе и психологии. Как это ни парадоксально, но слово мнимый в математике просто отражает нехватку у математиков воображения. Как и физики, они любят обычными словами называть необычные явления. У них не хватает фантазии придумать новый термин, поэтому они «крадут» общеупотребимое слово и придают ему некое новое значение. Так поступают многие ученые.

Прошу извинить меня за тирады по поводу так называемого научного языка. Я спрашиваю, по какому праву ученый позволяет себе утверждать, что американский буйвол[71] – это совсем не буйвол? Или что паук не насекомое? Или что Плутон не планета? Ученые пытаются «похитить» эти слова, а затем диктовать нам, когда можно ими пользоваться, а когда нет. Но не они их придумывали, поэтому и не имеют права изменять границы их значений. По моему мнению, американский буйвол только и есть, что американский буйвол. В XVII веке не только пауки, но и черви, и улитки назывались насекомыми. От одного математика я услышал, что на шнурках своих ботинок я завязываю не узел, так как все, что может быть развязано, не должно называться узлом.

Никто не давал ученым права изменять значение общепринятых слов. Одно из замечательных следствий этой логики – Плутон все-таки планета! Однажды я предложил студентам своего курса проголосовать за это, и с результатом 451:0 победили те, кто считает Плутон планетой. Поскольку участников того голосования было больше, чем на заседании Международного астрономического союза, (МАС)[72], вынесшем противоположное решение[73], думаю, что верх все же одержали мои студенты. Никто не давал МАС полномочий решать этот вопрос. (А я, между прочим, член МАС.) Плутон – по-прежнему планета. Конец моей тираде. Вернемся к мнимым числам.

В моей преподавательской практике я видел немало хороших и умных студентов, терпение которых лопалось, когда начиналось изучение мнимых чисел. Как можно работать с тем, чего нет? При встрече с мнимыми числами практически у всех возникает ощущение, что такая математика становится слишком абстрактной, чересчур оторванной от реальности, чтобы ее можно было понять.

В духе отрицания пресловутого «научного языка» я объявляю, что мнимые числа совсем не воображаемые. Квадратный корень из −1 (√−1) в действительности существует. Чтобы понять, каким образом, давайте посмотрим на другие абстрактные числа. Существует ли 0? Древние римляне говорили, что нет. Они полагали самоочевидным, что ничто не может существовать. Как итог – в римских цифрах нет нуля. Римлянин, записывающий вычитание IV из IV, в качестве результата просто оставлял пустое место. Но как пустое место в качестве результата отличить от нерешенной задачи? Идея использования символа, обозначающего ничто, была бы для римлян слишком большим шагом вперед, который они так и не сделали (если только вы не считаете Птолемея римлянином). Предполагаю, что в то время некоторые математики (или, может быть, счетоводы) настаивали на введении такого символа: просто он был бы полезен. Но концептуально римлянам трудно было принять обозначение символом того, что было ничем. Нуль (0) ведь в реальности не существует, не так ли? Ведь он есть только в нашем воображении, правильно? Он ведь мнимый, верно?

Древние греки были на удивление более продвинутыми в математике. Архимед вывел формулу объема шара: 4/3πR³. Попробуйте вывести ее самостоятельно без дифференциальных вычислений. И все же даже у греков не было знака для обозначения нуля, по крайней мере до 130 года н. э., когда Птолемей в Александрии ввел его в ограниченное употребление. Греки, как и римляне, оставляли на месте нуля пустое место.

Когда моей дочери было пять лет, мы нередко развлекались незатейливой игрой. Я спрашивал: «Кто на заднем сиденье машины?» Она отвечала: «Никто». – «У этого “никого” окно открыто?» – «Нет». – «Но у меня-то окно открыто. Как же ты можешь говорить, что окно не открыто ни у кого?» «Папа!» – возмущалась дочь. И несмотря на свое расстройство, продолжала игру в слова. Это занятие ей нравилось, но она тогда еще не понимала, что я готовлю ее к абстрактной математике.

А как насчет отрицательных чисел? Вспоминаю учительницу математики в седьмом классе (она была самым плохим педагогом за всю мою жизнь), которая говорила, что отрицательных чисел не существует. «Просто притворитесь, что они есть», – твердила она. К счастью, я был довольно развитым учеником и поэтому решил, что она ошибается. Помню, как убеждал себя: «Отрицательное число похоже на то, что ты кому-то должен». Однако, полагаю, ее совет по поводу отношения к отрицательным числам знаменовал собой конец математики для половины класса. Многие мои соученики никогда больше не испытывали комфорта, производя операции с числами, которых не было. Для меня отрицательные числа существовали всегда.

В седьмом классе я уже сделал для себя вывод: числа не вещи, а мысленные категории, полезные при вычислениях. Существует ли какое-либо число в реальности? Или это просто абстракции, которые мы используем, чтобы правильно организовывать свои мысли? Вообще-то это философский вопрос, имеющий отношение к сути существования: им переполнены книги и статьи. (На моем рабочем столе оказалось издание под названием Does Santa Exist?[74] Эта серьезная книга раскрывает смысл слова «существовать».) Мы вернемся к этому при обсуждении некоторых новых идей в физике, которые могут или не могут существовать. Одной из них будет квантовая волновая функция. Другой – радиус Шварцшильда для черных дыр.

Древние греки верили (именно верили), что существуют только целые числа. Они считали эту истину очевидной. Греки думали, что все остальные числа могут быть записаны как дроби, или отношения целых чисел, например 22/7. Пифагора считают открывшим такие отношения в музыке: это тоны. «Октава» означает, что соотношение частот между соседними звуками составляет 1:2 (на длине вибрирующей струны). Этот музыкальный интервал называется октавой[75] потому, что включает в себя восемь нот. Музыкальный интервал квинта[76] шириной в 5 нот имеет соотношение частот рядом расположенных звуков, равное 3:2. Кварта[77], музыкальный интервал в 4 ступени, имеет соотношение 4:3.

И вот, примерно в 600 году до н. э., произошло поразительное событие – не только в истории математики, но вообще в сфере понимания человечеством окружающего мира. Пифагорейцы открыли, что √2 не может быть записан как отношение целых чисел. В результате они назвали это число иррациональным. Не рациональным. Сумасшествие.

Все это может показаться загадочной стороной математики, но подумайте об этом хорошенько. Как вообще можно быть уверенным, что ваше утверждение истинно? В конце концов, нет ничего сверхъестественного в √2: это всего лишь длина гипотенузы в прямоугольном треугольнике с длинами катетов, равными 1. Из физических измерений этой фигуры нельзя заключить, что число будет иррациональным. Вы никогда не перепробуете всех возможных комбинаций целых чисел. Предположим, я скажу, что √2 равен результату деления числа 1 607 521 на 1 136 689. На самом деле это не так, но очень близко. Попробуйте сами: произведите эту операцию на калькуляторе, а потом возведите результат в квадрат. Или используйте таблицу.

Открыв иррациональный характер √2, пифагорейцы сделали важный шаг к признанию реальности ненаучного знания. Я привожу доказательство иррациональности √2 в Приложении 3. Это не очень трудно – можете убедиться сами. Позже мы поговорим подробнее о квадратном корне из 2, а сейчас давайте продолжим наше исследование значения термина мнимый.

Квадратный корень из 2 может быть представлен по крайней мере графически. Как я уже говорил, это длина гипотенузы в прямоугольном треугольнике с катетами, равными 1. Однако соотношение между длиной окружности и ее диаметром, которое мы называем в честь Пифагора числом π, нельзя представить графически. Получается, оно еще более странное, чем √2. Мы называем его трансцендентным, используя то же слово, которым обозначаем трансцендентальные медитации[78].

Одним из удивительных фактов, касающихся иррациональности √2 (показывающих, насколько это действительно экстраординарное явление), можно считать то, что оно было открыто всего один раз за историю цивилизации. Все другие утверждения по поводу этого числа в конечном счете возвращаются к работам древнегреческих математиков.

А что тогда можно сказать о √−1? Это не целое число, не рациональное и не иррациональное. Оно также не трансцендентное. Означает ли это, что его не существует? Нет, определенным образом оно существует, но только в такой степени, в которой реально существуют и другие числа. Они служат инструментами, которые мы используем для вычислений. Если такой инструмент (будь то 0, или −7, или √2) полезен, пользуйтесь им. Если √−1 нет в списке странных нецелых чисел, это не означает, что его не существует. По моему мнению и по мнению физиков и математиков, это число так же реально, как и 1.

Главная проблема с мнимыми числами скрыта в самом их названии. Если бы √−1 называлось «расширенным» вместо «мнимого», возможно, оно не создавало бы таких мучений для многих поколений студентов. Или, может быть, следовало назвать его «числом Е» по имени великого математика Леонарда Эйлера[79], который показал нам, что еπ√−1 + 1 = 0. Ричард Фейнман называл эту формулу «самой замечательной в математике». Она связывает пять важнейших чисел – е (основание натурального логарифма, математическую константу), π, √−1, 1 и 0 – совершенно неожиданным способом, который оказывается чрезвычайно ценным и для электротехники, и для квантовой физики. Замечательно, что Эйлер впервые использовал для обозначения основания натурального логарифма букву е, которая в честь ученого называется числом Эйлера.

Вернемся к мнимому времени. Часы не могут показать √−1, на них нанесены только целые числа, по которым двигаются малая и большая стрелки. Как может время быть мнимым и даже расширенным?

Ответ состоит в том, что формулы Минковского представляют время вещественными числами – часами, минутами и секундами. Мнимо именно абстрактное пространство-время, постулированное Минковским. Время остается реальным, но координата в пространстве-времени оказывается вещественным числом t, помноженным на мнимое число √−1. Тем не менее когда физики говорят о конструкции Минковского – четырехмерном пространстве-времени, они рассматривают координату it в качестве мнимого времени.

Мнимое время и четырехмерное пространство-время

Самым важным вкладом Минковского в релятивистскую теорию считается не формулирование мнимого времени, а предложение концепции пространственно-временного континуума. Он показал, что уравнения, используемые в теории относительности для расчета координат местоположения и времени события, в новой системе отсчета могут быть представлены как повороты в пространстве-времени. Физики-теоретики нашли эту идею очень интересной. Вместо работы только с уравнениями теперь они могли представлять себе релятивистскую теорию в картинках. Да, эти картинки должны быть четырехмерными, и некоторые физики были способны вообразить их. Но большинство постарались облегчить дело и оперировать лишь одним пространственным измерением (как та линия, по которой в парадоксе близнецов Мэри двигалась от Земли к звезде) и одним временным измерением. В таком случае пространственно-временная диаграмма может быть изображена на плоском листе бумаги, а изменение системы координат при переходе из одной системы отсчета в другую предполагало всего лишь поворот созданной диаграммы вокруг своей оси.

Важнейшее значение пространства-времени в том, что оно превратило теорию относительности из алгебраической проблемы в геометрическую. Роль Эйнштейна была колоссальна. Он занялся изучением возможности того, что все физические уравнения – только элементы сложной геометрии. Ученый начал с гравитации, потому что к тому моменту уже понял, что действие гравитационного поля эквивалентно действию ускорения. Из этого он вывел, что время течет быстрее на удалении от Земли, в сравнении с временем на ее поверхности. Могут ли быть переведены в геометрию все поля, а не только гравитационные? Как насчет электромагнетизма?

Самая замечательная работа всей моей жизни

Эйнштейн почти 10 лет работал над созданием геометрического представления о гравитации. Это был один из самых фантастических эпизодов в истории человеческой мысли. В своем завершенном труде Эйнштейн позволил пространству-времени иметь произвольную геометрию, включая искривления и растяжения. Точно так же, как на поверхности Земли имеются горы и долины, четыре измерения пространства-времени могут изгибаться и поворачиваться, сжиматься и расширяться, оставаясь при этом протяженными и целостными. Планеты и их спутники, согласно этим взглядам, просто двигались по орбите вокруг массивных тел, подчиняясь действующим на них силам и следуя тем курсом, который представлялся им «прямой линией» (они еще называются геодезическими). Старое гравитационное поле Ньютона ушло в прошлое, замененное неевклидовой геометрией, которая зависела от плотности существующей поблизости энергии (включая энергию массы).

Эйнштейну удалось найти уравнение, в котором геометрия пространства-времени определялась распределением в нем энергии. При таком подходе гравитационные силы перестают действовать. Присутствие массы означает наличие энергии; присутствие энергии искривляет пространство и время; искривление пространства и времени означает, что объекты подчиняются силам гравитации, а на самом деле они просто двигаются вперед по сложному пространственно-временному континууму. В этом смысле планеты, обращающиеся по своим орбитам вокруг звезд, следуют по прямой линии не сквозь космическое пространство, а сквозь пространство-время.

К 1915 году Эйнштейн не только нашел свое главное окончательное уравнение, но также убедил себя (а вскоре и весь мир), что оно правильно. Это уравнение выглядит просто:

G = kT,

где k = 2,08 × 10−43 в стандартных физических единицах измерения (метрах, килограммах и секундах).

Это и есть уравнение общей относительности! Вся его сложность скрыта в определении понятий G и T. Сегодня величину G мы называем тензором Эйнштейна (метрическим тензором). Это математический объект, описывающий искривленность в зависимости от плотности пространства-времени. Что это означает? Пространство более не простое. Поскольку оно может быть растянуто и сжато, вы можете, например, «сжать» много пространства в какую-то одну небольшую область. То же самое относится и ко времени. Таким образом уравнения работают с замедлением времени. Если какая-то область пространства поблизости содержит черную дыру, вы обнаружите, что только пересечение этой дыры может потребовать от вас перемещения на бесконечное расстояние. Это как прохождение по горе: прямое движение вперед состоит из множества движений вверх и вниз. Но в теории Эйнштейна нет подъемов и спусков. Скорее, в ней открывается все большее пространство и расстояние, «сжатые» в эту область.

В приведенном выше уравнении величиной Т обозначается тензор энергии-импульса[80]. Уравнение связывает геометрию локального пространства-времени с наличием в нем энергии, которая выражается величиной Т.

На самом деле при определенной константе G и Т всегда равны. Для пустого пространства G = 0, хотя это и не означает, что пустое пространство имеет простую геометрию. Это означает только, что искривления в таком пространстве относительно незначительны. Уравнение Эйнштейна говорит не только о гравитации Земли или Солнца, но и о гравитационных силах вокруг черных дыр и вообще во Вселенной. В этом уравнении может быть скрыта возможность того, что Вселенная и конечна, и бесконечна; что пространство может расширяться и сокращаться; а время, существующее внутри черных дыр, соответствует бесконечности вовне (см. следующую главу).

Наверное, самое замечательное в открытиях Эйнштейна – это возможность за счет сжатия и растяжения времени и пространства придавать объектам ускорение даже несмотря на то, что их местоположение не меняется. Сидя на поверхности Земли, вы (в геометрии Эйнштейна) постоянно ускоряетесь вертикально вверх, хотя и не двигаетесь. Это вертикальное ускорение, направленное вверх, мы называем гравитационной силой Земли, и именно это ускорение может рассматриваться в качестве причины возникновения гравитационного эффекта замедления времени.

Многие ложно полагают, что сжатие свободного пространства между объектами требует пятого измерения, в дополнение к известным четырем. Они ошибочно представляют себе это дополнительное пространство в качестве какой-то структуры, похожей на гору, которая как-то искривляется в пятом измерении, удлиняя более короткий путь. Такое пятое измерение может существовать, но математике оно не нужно. Пространство не твердый объект: количество пространства в этой области не фиксированно. Не нужно воображать себе какое-то внешнее измерение, чтобы описать сложную геометрию теории относительности. Достаточно, чтобы вы признавали: расстояния и временные интервалы могут быть изменчивы, как это было в специальной теории относительности (СТО) 1905 года. Даже в соответствии со СТО 12-метровый шест можно было «загнать» в 6-метровый сарай, используя понятие о сжатии пространства (по крайней мере, теоретически), без какого-то скрытого измерения, благодаря которому можно было бы «сложить» шест.

Очень примечательно, что из уравнений общей теории относительности исчезло мнимое число √−1. В конечном счете Эйнштейн нашел путь (и сам разработал его) рассматривать пространство-время, не прибегая к мнимым числам. Он исключил √−1 не потому, что счел это число несуществующим (оно существует). Эйнштейн отыскал другой подход, который использует неевклидову геометрию Римана[81] и в результате которого его уравнения и вычисления стали более элегантными, мощными, легко применимыми и легко понимаемыми.

Для слабых гравитационных полей, таких как гравитационное поле нашего Солнца (черные дыры имеют сильные гравитационные поля), уравнения Эйнштейна не отличались от гравитационных уравнений Ньютона. Он вывел, что гравитационное ускорение массы М выражается уравнением a = GM/r2 (согласно закону всемирного тяготения). Ньютоновское уравнение было всего лишь приближением (хотя и очень хорошим) в сравнении с более точным уравнением Эйнштейна в его общей теории относительности. Нильс Бор[82], один из основателей (наряду с Эйнштейном) квантовой физики, позже назвал это свойство научных теорий принципом соответствия[83]. Новые теории должны давать такие же результаты, как и старые, в тех областях, в которых прежние научные воззрения были успешными. Для общей теории относительности это распространялось на малые скорости и относительно небольшие силы гравитации.

Однако между новой теорией гравитации и старой теорией Ньютона существовали и различия. С помощью своих новых уравнений в 1915 году Эйнштейн рассчитал, что орбита планеты Меркурий при движении вокруг Солнца должна представлять собой не простой эллипс, а эллипс с постепенно наклоняющейся осью вращения. Вычисления Эйнштейна помогли разрешить загадку аномального явления, которое было открыто за 50 лет до этого и не поддавалось объяснениям. Было установлено, что орбита Меркурия изменяет наклон. Феномен получил название «аномальное смещение перигелия Меркурия». Из уравнений общей теории относительности вытекало именно такое значение смещения, которое наблюдалось. Оказались не нужны никакие поправки или дополнительные вычисления. В этом случае теория Эйнштейна не предсказала что-то, а постфактум точно объяснила явление, известное науке с 1859 года.

Мне трудно представить, что должен был испытать Эйнштейн, впервые рассчитав орбиту Меркурия с помощью своих уравнений и получив результат, который идеально соответствовал хорошо известному, но непонятному до тех пор смещению. Если быть абсолютно точным, то к этому итогу великий ученый пришел в 1913 году в сотрудничестве с Михаэлем Бессо. В письме своему другу Гансу Альберту Эйнштейн писал: «Я только что закончил самую замечательную работу в моей жизни». Это уникальное заявление для человека, который уже создал специальную теорию относительности, своей интерпретацией броуновского движения доказал, что атомы существуют, и создал основу для квантовой физики работами по фотоэффекту.

В своих статьях 1915 года (через год собранных в историческую работу об общей теории относительности) Эйнштейн сделал еще два гениальных предсказания. Он утверждал, что свет звезд, проходящий в непосредственной близости от Солнца, под действием гравитации будет иметь отклонение в его сторону, равное приблизительно 1,75 угловой секунды[84]. Через несколько лет английский физик Артур Эддингтон, которого я часто упоминаю, блестяще подтвердил это предсказание, осуществив сложные экспериментальные измерения при полном затмении Солнца. Это подтверждение теории Эйнштейна вознесло его на вершину мировой славы. Экспериментальное доказательство гипотезы Эйнштейна о том, что на больших высотах время течет быстрее, потребовало много времени и было сделано Паундом и Ребкой спустя 44 года после ее постулирования.

Пространство-время

После того как Минковский и Эйнштейн представили миру концепцию пространства-времени, многие другие физические явления стали легко объясняться при подходе к ним с позиций четырехмерного пространственно-временного континуума. Энергия и импульс (количество движения), которые ранее рассматривались как связанные, но отдельные понятия: три компоненты классического вектора импульса, имеющие направления x, y и z, стали составными частями 4D-вектора энергии-импульса, а четвертой компонентой оказалась полная энергия. Эйнштейн «соединил» импульс и энергию в том же смысле, в котором (он и Минковский) соединил пространство и время.

Другие физические понятия также красиво вписались в четырехмерную модель. Больше не считались отдельными феноменами электрические и магнитные поля: они стали просто разными компонентами четырехмерных объектов – тензоров. Удивительным оказалось и такое открытие: если перевернуть координаты этих объектов, электрическое поле можно было превратить в магнитное, и наоборот. Математика такого поворота в своей основе напоминала преобразования Лоренца/Эйнштейна. На формировавшемся тогда научном жаргоне это явление получило название релятивистской ковариантности[85]. Подобные повороты математически эквивалентны классическим уравнениям Максвелла, относящимся к электрическим и магнитным полям. Тем самым уравнениям, которые использовались для создания электромоторов и электрогенераторов.

Тем временем Эйнштейн продолжал свои поразительно продуктивные разработки. Вскоре после создания первых трудов по общей теории относительности он написал несколько работ по радиационному излучению, в которых предсказал прежде не известное явление – вынужденное, или индуцированное, излучение. Это привело в 1954 году к изобретению лазера известным американским физиком Чарльзом Таунсом[86] и советскими физиками Николаем Басовым[87] и Александром Прохоровым[88]. Собственно, слово «лазер» – это английская аббревиатура: L.A.S.E.R., light amplification by stimulated emission of radiation – «усиление света посредством вынужденного излучения».

Эйнштейн считал свою специальную теорию относительности, опубликованную в 1905 году, первым шагом на пути к пониманию всей физики через геометрию. С помощью принципа эквивалентности он включил в СТО гравитацию, создав общую теорию относительности – геометрическую теорию тяготения. И не собирался на этом останавливаться. Эйнштейн хотел сделать электромагнетизм геометрической теорией, так же как он поступил с гравитацией, и объединить теорию электромагнетизма излучения с общей теорией относительности. В 1928 году он начал писать ряд статей, посвященных «единой теории поля», с помощью которой планировал добиться своей цели. Сегодня многие ученые считают, что в конечном счете Эйнштейн пошел по неверному пути; возможно, потому что в свои исследования не включил квантовую физику, которую сам же некогда помог создать.

С принятием квантовой физики многие теоретики верят, что приблизились к решению задачи создания единой теории, хотя она и не основана на геометрическом подходе. Этот подход, названный теорией струн, объединяет общую теорию относительности и квантовую физику, сводя в один предмет изучение силы гравитации, электричества и магнетизма; «слабые» взаимодействия, которые вызывают радиоактивный распад; и «сильные» взаимодействия, которые удерживают протоны и нейтроны в ядре, несмотря на существующие между ними гигантские силы отталкивания.

Теория струн вызвала в научной среде большой энтузиазм. На эту тему появилось много популярных изданий. По моей оценке, эта теория не стала тем решением, которое мы ищем. На ее основе сделано много предсказаний (насчет существования новых частиц), которые пока не подтверждаются. С другой стороны, теория струн не предугадала многих явлений, оказавшихся реальностью. Некоторые ученые утверждают, что самым убедительным доказательством правильности можно назвать ее математическую последовательность и отсутствие произвольных (и трудных для оправдания) вычислительных хитростей ради избежания бесконечностей, присутствующих в классической квантовой физике. Некоторые говорят, что величайшим достижением теории струн стало ее «предсказание существования гравитации». Разумеется, гравитация была известна задолго до возникновения этой теории. Однако «предсказание» отражает то, что теория струн нуждается в существовании относительно слабых (в сравнении с другими силами) гравитационных полей.

* * *

Даже без каких-либо теоретических дополнений вскоре после публикации работ Эйнштейна удивительные явления были обнаружены в самой общей теории относительности. Эта теория может быть применена по отношению и к Вселенной, и к очень плотным объектам. По мнению Роберта Оппенгеймера[89], будущего научного руководителя Манхэттенского проекта и «отца» атомной бомбы, черная дыра создается, когда исключительно тяжелая звезда подвергается коллапсу. Действительно, существует мнение, что ближайшая к Земле черная дыра находится «всего лишь» (по оценкам астрономов) на расстоянии 6000 световых лет от нашей планеты. Теоретическое изучение черных дыр заставило по-новому взглянуть на время. Этот новый взгляд бросает вызов многим врожденным предубеждениям.

Глава 7

В бесконечность и далее

Время, текущее поблизости от черных дыр, намного необычнее, чем большинство из нас думает…

В бесконечность и далее!

Базз Лайтер, «История игрушек»[90]

Физики часто бывают ошарашены собственными уравнениями. Из них нередко трудно сразу сделать какие-то выводы, даже если они носят эпохальный характер. Чтобы помочь себе разобраться в своих же математических построениях, они обращают внимание на исключительные примеры и смотрят, что в итоге получается. А в нашей Вселенной нет более исключительных и экстремальных примеров, чем черные дыры. Их изучение вооружает нас очень важными идеями относительно особых аспектов времени.

Если вы кружите по орбите над небольшой черной дырой (скажем, массой с наше Солнце) на приличном расстоянии – например, 1500 километров, – то не почувствуете ничего особенного. Вы находитесь на круговой орбите над массивным объектом, увидеть который не можете. На орбите испытываете невесомость, как и все астронавты. Вас не засасывает внутрь дыры. Черные дыры, в отличие от изображаемых в научной фантастике, не втягивают в себя. На такой близкой орбите от Солнца за миллионную долю секунды вы были бы уже внутри светила, но до этого моментально сгорели бы. Однако черная дыра темна. (Микроскопически малые черные дыры испускают излучение, но большие не выпускают наружу ничего.)

Окружность вашей орбиты равна 2πr. Если ваш товарищ двигается по той же орбите, но с противоположной стороны, через четверть протяженности орбиты вы встретитесь. Но когда ваш товарищ в диаметрально противоположной точке, прямая линия между вами бесконечна. Рядом с черной дырой огромное пространство.

Если вы включите тормозные двигатели, замедляя или останавливая свое движение по орбите, то будете втянуты в черную дыру так же, как притянулись бы любым массивным объектом. (Космические корабли покидают орбиту именно таким образом: включают тормозные двигатели, а затем просто позволяют силам гравитации притянуть себя к Земле.) Прежде чем в вашей системе отсчета пройдут 10 минут собственного времени, то есть прежде чем состариться на 10 минут, вы достигнете поверхности черной дыры – по радиусу Шварцшильда (мы говорили о нем в главе 3). А теперь нечто поразительное, касающееся времени. Когда вы достигнете поверхности, то есть через 10 минут после спуска время измеряемой в системе отсчета орбитальной станции достигнет бесконечности[91].

Да, именно так. Падение в черную звезду занимает бесконечное время в системе отсчета стороннего наблюдателя. В вашей ускоряющейся СО этот процесс займет всего 10 минут. На одиннадцатой минуте время вовне приблизится к бесконечности и выйдет за ее пределы.

Но это абсурд! Возможно. Однако в классической релятивистской теории это так. Конечно, испытать подобный потенциальный парадокс невозможно, потому что время вне черной дыры бесконечно. А как только вы проникаете в нее, остаетесь там навсегда. Здесь нет измеряемого противоречия. Это пример того, что физики называют цензурированием. Абсурдность не может быть наблюдаемой, потому это не настоящая абсурдность.

Можете ли вы удовлетвориться ответом вроде «за пределами бесконечности, но с учетом цензурирования»? Подозреваю, что нет. Я нахожу такой ответ умопомрачительным. Но я нахожу умопомрачительным все, касающееся времени. Мы увидим абсурдные, но цензурированные заключения в теме квантовых волновых функций и запутанностей. Эти примеры бросают вызов нашему ощущению реальности и оставляют чувство неудовлетворенности. Как говорил Ницше: «Когда вы долго смотрите в бездну, бездна тоже начинает смотреть на вас».

Черные дыры ничего не «засасывают»

Давайте вернемся к моему утверждению, что черная дыра не может вас «засосать» и что вы можете двигаться вокруг нее по орбите, как и вокруг любого другого массивного объекта. Предположим, что Меркурий вращается вокруг черной дыры с массой, равной массе Солнца. Как изменится его орбита? Согласно распространенному убеждению, черная дыра втянет в себя маленькую планету. Но если исходить из общей теории относительности, никаких изменений не произойдет. Конечно, Меркурий перестанет быть таким горячим, потому что интенсивное излучение Солнца сменится холодной тьмой черной дыры.

Меркурий обращается вокруг Солнца по орбите со средним радиусом 58 млн км. Представьте, что вы двигаетесь по орбите вокруг нашего светила с радиусом 1,6 млн км. Если не считать испепеляющей температуры и сопротивления солнечного ветра, вы должны облететь вокруг Солнца примерно за 10 часов. Теперь заменим Солнце черной дырой с такой же массой. Чтобы ощутить на себе какие-то эффекты, нужно подобраться к ней очень близко. Как и в случае с любой звездой, чем ближе вы окажетесь к ее поверхности, тем быстрее начнете вращаться вокруг нее, чтобы остаться на орбите[92]. Практически рядом с черной дырой вы не почувствуете никаких различий, пока расстояние до нее не станет настолько малым, что ваша орбитальная скорость приблизится к скорости света.

На Солнце максимальная сила гравитации действует на его поверхности, как и в случае с Землей. Стоит внедриться под его поверхность, как масса, притягивающая объекты, в глубине светила начинает меньше действовать, чем на поверхности. В самом центре Солнца гравитация равна нулю.

Однако в черной дыре поверхность близка к центру. Согласно уравнению Шварцшильда, которое я приводил ранее, радиус черной дыры с массой Солнца должен составлять примерно 3,2 км. На расстоянии 16 км от нее орбитальная скорость должна составлять ⅓ скорости света. Орбитальный (сидерический) период при этом будет равняться одной тысячной доле секунды. В этих условиях для вычислений мы должны использовать теорию относительности.

Достижение световой скорости и уход в бесконечность

Когда вы находитесь близко к черной дыре, время течет очень медленно, и хотя длина орбиты может быть очень маленькой, между вами способно расположиться большое пространство. Для студентов, изучающих физику, оно обычно рисуется в виде диаграммы. Представьте ее как двухмерное изображение черной дыры. Сама дыра расположена в центре, ниже плоскости – там, куда направлено искривленное пространство.

Это полезная диаграмма, однако она несколько ошибочна, потому что подразумевает необходимость искривления пространства в другое измерение (в этом случае имеется в виду измерение, которое уходит вниз), чтобы захватить огромные расстояния около черной дыры. На самом деле такое измерение не нужно. Пространство просто сжимается из-за релятивистского сокращения длины. Эта диаграмма, изображающая черные дыры, часто присутствует в популярных фантастических триллерах. Когда Джоди Фостер падает в кротовую нору в фильме «Контакт»[93], это место очень напоминает нашу виртуальную диаграмму. (Кротовые норы выглядят как две почти черные дыры, соединенные до возникновения радиуса Шварцшильда; вы падаете с одного края норы и вылетаете из другого.) В реальности черная дыра выглядит совсем не так. Если вместе с вами в нее падают другие объекты, она должна выглядеть абсолютно черным шаром.

С таким разъяснением диаграмма полезна. Она иллюстрирует основные свойства черных дыр и помогает ответить на простой вопрос: каково расстояние от внешнего мира (относительно плоского пространства) до поверхности черной дыры? Мы уже знаем – это бесконечность. Попробуйте измерить участок «падения» внутри черной дыры, и вы столкнетесь с бесконечностью. Вы упретесь в радиус черной дыры только в самом низу, но это бесконечно далеко.

Если до поверхности черной дыры бесконечно далеко, то что тогда я имел в виду, говоря о каких-то 16 километрах? Признаю, вводил вас в заблуждение. Я использовал обычную систему координат. Радиус r определяется тем, что мы говорим об окружности вокруг черной дыры как 2πr, аналогично обычному пространству. Но законы обычной геометрии здесь не работают, и мы не можем высчитать расстояние между двумя точками, просто найдя разницу в их координатах.

На самом деле никаких черных дыр нет

Список галактических объектов, похожих на черные дыры, можно найти в астрономических справочниках и в интернете. Статья в «Википедии» «Список черных дыр» упоминает более 70. Но вот в чем загвоздка: мы имеем основания полагать, что ни один из этих объектов на самом деле черной дырой назвать нельзя.

Метод, которым руководствуется астроном в поиске объекта Вселенной – кандидата на черную дыру, – это поиск космического тела, масса которого в несколько раз больше массы Солнца, но при этом от него регистрируется очень мало излучения или вообще ничего. Некоторые из потенциальных объектов испускают импульсы рентгеновских лучей, которые, как полагают, указывают на то, что какие-то формирования (комета? планета?) «падают» в них. По мере падения эти тела распадаются и нагреваются за счет большой разницы в гравитации, ограниченной самим объектом, которой достаточно, чтобы испускать рентгеновское излучение. Другие потенциальные кандидаты, которых называют сверхмассивными черными дырами, имеют массу сотен наших Солнц.

Один из таких сверхтяжелых объектов существует в нашей галактике Млечный Путь. Мы наблюдаем звезды, расположенные поблизости от этого центра, которые невероятно быстро ускоряются. Это указывает на присутствие очень большой массы. Однако из этого объекта не исходит свет, поэтому сам он, притягивающий звезды, не звезда. Физические теории заставляют полагать, что такая огромная концентрация массы без какого-либо излучения может быть только черной дырой.

Почему я утверждаю, что в действительности их не существует? Вспомните расчеты, показывающие, что «падение» в черную дыру будет длиться бесконечно. Подобные расчеты указывают и на то, что формирование черной дыры в нашей системе отсчета тоже займет бесконечное время. Все вещество для ее создания должно преодолеть бесконечное расстояние. Если только черные дыры не существовали к моменту формирования нашей Вселенной, то есть если не были первичными объектами космоса, нельзя считать, что они достигли статуса настоящих черных дыр. Не прошло еще достаточно времени (во внешней системе отсчета), чтобы материя «упала» на бесконечное расстояние, характеризующее черную звезду. И у нас нет оснований думать, что какие-то объекты Вселенной могли быть первичными (хотя некоторые ученые рассуждают, что мог быть один или несколько таких объектов).

Возможно, я слишком педантичен. Действительно, «падение» в черную дыру может длиться бесконечно, однако вы можете продвинуться очень далеко всего за несколько минут в собственном времени, измеряемом падающими с вами часами. С точки зрения внешней системы отсчета вы никогда не достигнете поверхности черной дыры, но за сравнительно короткое время преобразуетесь в сверхтонкую материю, что, в некотором смысле, будет уже неважно. Возможно, в этом заключалась причина того, что в 1990 году Стивен Хокинг решил объявить о своем поражении в пари Кипу Торну, признав, что один из самых популярных объектов современной астрономии «Лебедь Х-1» в созвездии Лебедь, заметный источник рентгеновского излучения, действительно черная дыра. Технически прав был Хокинг, а не Торн. «Лебедь Х-1» на 99,999 % в самом деле черная дыра, но потребуется бесконечное время (в системе отсчета Хокинга и Торна), чтобы он стал таковой полностью.

В квантовой теории есть одна лазейка, позволяющая обойти мое утверждение, что черных дыр не существует. Хотя согласно теории относительности Эйнштейна, формирование такого объекта – процесс бесконечный, для завершения процесса нужно сравнительно немного времени. С того мгновения, когда «падающая» материя достигнет расстояния в два радиуса Шварцшильда от него, до момента, когда она будет от него в непосредственной близости и проявятся сильные квантовые эффекты (на так называемой планковской длине), пройдет менее одной тысячной секунды. Мы не думаем, что в этой точке продолжится действие обычной общей теории относительности.

Что случится потом? Неизвестно. Над этой проблемой работают многие ученые, но ничего еще не было обнаружено и экспериментально проверено. Конечно, интересен сам факт того, что Хокинг отдал Торну выигрыш в пари относительно классификации «Лебедя Х-1» как черной дыры. Вероятно, он посчитал объект настолько близким к этому, что «чуть-чуть» уже не важно, а возможно, убедился, что включение в дело квантовой физики бросает тень сомнения на определение бесконечности времени.

Признание того, что черных дыр пока нет, во всяком случае в том «пока», которое соответствует нашей внешней системе отсчета, – это тонкость, которая обычно не известна неспециалистам. Так что, вооружившись этим фактом, вы тоже могли бы выиграть пари: реальность допускает возможность и верить, и не верить в существование черных дыр.

Другая лазейка вокруг скорости света

В главе 5 я показал, как постоянное ускорение 1g в вашей собственной системе отсчета может привести к тому, что расстояние между вами и отдаленным объектом (измеренное в ускоряющейся системе отсчета) изменяется в 2,6 раза быстрее скорости света. С помощью ускорителя BELLA в нашей лаборатории можно было изменять расстояние до Сириуса в системе отсчета электрона со скоростью, эквивалентной 8,6 миллиарда скоростей света. Вы можете добиться большего. Можете изменять расстояния с бесконечной скоростью. Вот как это происходит.

Представьте, что мы с вами в космосе на расстоянии метра друг от друга. Вокруг нас ничего нет. Предположим, наши системы отсчета идентичны. В них мы оба в состоянии покоя. Теперь возьмем маленькую первичную (полностью сформировавшуюся) черную дыру, которая имеет массу, может быть, несколько килограммов. Поместим ее точно между вами и мной. Гравитационное притяжение у черной дыры не больше, чем у другого объекта с такой же массой, так что мы не испытываем воздействия необычных сил. Когда черная дыра находится между нами, прямая линия, соединяющая нас, становится бесконечной. Таким образом, расстояние между нами изменилось. А наше местоположение нет.

Сдвинулись ли мы с места? Нет. Изменилось ли расстояние между вами и мной? Да. Колоссально. Пространство текучее и гибкое. Оно способно сжиматься и растягиваться. Бесконечная концентрация пространства может быть передвинута достаточно легко, потому что его масса может оказаться небольшой. Это означает, что расстояния между объектами способны изменяться с произвольно высокими скоростями, даже со скоростью «световой год / секунда», а может, и быстрее. Вы словно передвигаетесь с суперскоростью (сверхсветовой), хотя остаетесь на месте.

Эти понятия и концепции очень пригодятся нам при обсуждении современной космологии в последующих главах. В особенности они важны как основа теории инфляционного развития Вселенной, которая используется для объяснения парадоксальности ее удивительного единства, даже несмотря на то что она так велика и (видимо) не обладала временем для объединения. Подробнее об этом далее.

Пространственно-временные туннели

Кротовая нора – это гипотетический объект, похожий на черную дыру. Но вместо искривленного пространства, которое устремляется к дыре, обладающей колоссальной массой, в конечном счете пространство открывается в другую горловину. Простейший пример такого туннеля – соединенные в узком месте две «не совсем черные дыры». («Не совсем» означает, что можно упасть в дыру с одного входа и выйти из другого за конечный промежуток времени.) Чтобы это произошло, нужно представить: пространство согнуто таким образом, что сгиб приходится как раз на место выхода из туннеля. Однако на самом деле воображать это не нужно. Вспомните, что падение внутрь черной дыры в системе отсчета внешнего наблюдателя бесконечно по протяженности. Так что если кротовая нора и не такая глубокая, она может иметь достаточную глубину, чтобы достичь любой точки.

Проблема с простыми кротовыми норами состоит в том, что расчеты указывают на их нестабильность. Поскольку внизу норы нет никакой массы, чтобы концентрировать искривленное пространство, полагают, что кротовая нора прекратит свое существование быстрее, чем человек сможет «проскочить» сквозь нее. Мы могли бы стабилизировать ее (как это делают в шахтах, ставя подпоры), но, согласно современным взглядам на проблему, для этого необходимо нечто, чего человечество еще не открыло, – некая частица с негативной энергией в ее поле. Такое поле возможно (во всяком случае, его нельзя исключать). Так что приглашаем фантастов использовать предположение, что в будущем мы сумеем создавать стабильные и полезные пространственно-временные туннели.

Кротовые норы – классика научной фантастики, особенно в описании суперскоростных путешествий на расстояния во многие световые годы. Даже сам термин «варп-двигатель» (warp-drive)[94] из киноэпопеи «Звездный путь», который использовался также в телесериале «Доктор Кто»[95], предполагает, что четырехмерное пространство-время Вселенной имеет еще и пятое измерение, сближая объекты. Та же тема звучит и в популярном научно-фантастическом фильме «Дюна»[96], где вымышленная «Космическая гильдия» использует материал под названием spice, чтобы искривлять пространство. (В послужившем основой романе герои просто покрывают расстояние со скоростью больше скорости света, однако в фильме используется релятивистский аспект такой способности.)

Кротовые норы потрясают воображение поклонников научной фантастики еще и потому, что некоторые физики утверждают, будто они могут сделать возможными путешествия обратно во времени. По мере того как мы будем продвигаться в понимании течения времени, слова сейчас и путешествия во времени, вы увидите, почему я не согласен с тем, что кротовая нора позволит вернуться во времени назад.

* * *

Для меня удивительно, что, не зная причины течения времени, мы можем точно определять его относительное течение в различных местностях и утверждать, будто оно может течь с разной скоростью. Согласно законам физики, время замедляется или убыстряется. Следующий шаг, сделанный учеными-физиками, тоже не смог объяснить скорость течения времени, но попытался ответить на более простой вопрос: почему время скорее течет вперед, чем назад?

Часть II

Сломанная стрела

Глава 8

Стрела преткновения

Эддингтон утверждает, что движение времени вперед объясняется увеличивающейся энтропией

Солдаты короля,

Как только ни старались,

Но собрать Шалтая

У них не получалось.

Ш. Перро, «Сказки Матушки Гусыни»

Несмотря на огромный прогресс, достигнутый в понимании времени, Эйнштейн потерпел полную неудачу в объяснении его фундаментального свойства: движения. Время не просто четвертое пространственное измерение. Оно иное по своей природе, потому что развивается. Прошлое совершенно отличается от будущего, и мы знаем это очень хорошо. Тот особый момент, давший название этой книге – «Сейчас», – движется вперед вместе со временем. Почему? Может ли он двигаться вспять; можем ли мы понять, как работала машина времени Герберта Уэллса, и построить такую же? Мы в состоянии изменить свое будущее. По крайней мере, об этом говорят родители. Почему же тогда не можем изменить прошлое? Или можем?

Этой головоломкой занялся Артур Эддингтон. Он был физиком, астрономом, философом и популяризатором новейших достижений науки. Эддингтон разрабатывал и проводил сложные эксперименты, развивал новые теории, а его имя оказалось тесно связанным с важнейшими идеями физики. В 1919 году ему задали вопрос: «На самом ли деле теория относительности настолько сложна, что всего три человека в мире могут понять ее до конца?» Согласно легенде, он ответил: «А кто третий?»

Эддингтон первым измерил отклонение света в поле тяготения Солнца. Это стало одним из главных экспериментальных подтверждений искривленного пространства-времени Эйнштейна. Ученый осуществил этот эксперимент в 1919 году при полном затмении Солнца – чтобы светило не мешало. Таким образом он сделал знаменитым Эйнштейна, а заодно и себя[97].

Эддингтон обладал глубоким взглядом на природу физических явлений. Он ввел понятие предел Эддингтона[98], которое сейчас известно каждому астроному и студенту, изучающему астрофизику. Это понятие описывает равновесие между внешним электромагнитным давлением на звезду и ее внутренней силой гравитации. Оно дало ключ к пониманию не только природы гигантских звезд, но и таких необычных объектов, как квазары.

Эддингтон понимал, что несмотря на гигантский прогресс в научных изысканиях Эйнштейна, пока еще оставалось много необъясненных загадок относительно времени. В уже упомянутой книге «Природа физического мира» ученый писал:

Время обладает великим свойством – оно идет вперед. Но это тот его аспект, который физики иногда склонны игнорировать.

Эддингтон не предложил никаких объяснений по поводу значения понятия сейчас, как и не высказал никаких идей по поводу того, почему время течет. Но он дал широко принятое сегодня объяснение направлению времени.

«Почему время идет вперед?» – задавался вопросом Эддингтон. Большинство людей, услышав этот вопрос, считают его глупым, аналогично такому: «Почему мы помним прошлое, а не будущее?» Эти вопросы кажутся глупыми, но лишь до тех пор, пока вы не задумаетесь над ними всерьез. Кажется, что физика не делает различия между прошлым и будущим; ее законы одинаково применимы и в обратном направлении времени. Если вы знаете прошлое, то можете использовать законы классической физики, чтобы предсказать будущее. Однако оказывается, если вы знаете будущее, можете использовать те же законы, чтобы узнать, что происходило в прошлом. Эддингтон не только задал глупый вопрос, но дал на него ответ, который покорил физиков и продолжает увлекать их и сегодня.

Чтобы объяснить свои идеи о направленности времени, ученый предложил представить ряд событий как функцию времени. Он называл это пространственно-временной диаграммой и ссылался на Германа Минковского (мы говорили о нем в главе 6). Однако давайте рассмотрим менее абстрактный вариант, который все же сохраняет основные элементы такой диаграммы, – кусок кинопленки. (Вспомните время, когда кинофильмы снимались отдельными кадрами на пленке, а не путем записи бит информации в памяти компьютера.) Если вы взглянете на отдельные кадры, сможете ли сказать, какая сторона перед вами – лицевая или обратная? Определить это весьма затруднительно, пока вы не увидите какую-нибудь надпись, например дорожный указатель. Если буквы в указателе

вы видите в зеркальном отображении, значит смотрите на пленку с ее обратной стороны. Большие объекты (горы, деревья и прочие элементы пейзажа) в значительной степени симметричны. Люди в зеркале тоже такие же, как в отображении, а вот предметы культуры – нет. В биологии симметрия также часто нарушается: например, большинство людей праворукие, и молекула обычной сахарозы повернута вправо.

Следующие вопросы: можете ли сказать, в каком порядке следует прокручивать кинопленку? Какова последовательность кадров? Как раз это Эддингтон называл образом-символом стрела времени. Если бы, например, на пленке было запечатлено движение планет вокруг Солнца, скорее всего, вы не смогли бы указать правильный порядок кадров. Или если кинофильм был анимацией сталкивающихся в газе атомов, вы также не смогли бы его указать. Однако для большинства лент этот порядок был бы очевидным. Запустите пленку с неправильного конца, и люди на экране пойдут назад. Разбитая посуда подпрыгнет с пола и, невредимая, займет свое место на полке. Пули вылетят из мертвого тела и вернутся в дуло пистолета. Скользящие вниз по наклонной поверхности предметы ускорят свое движение, а не затормозятся под воздействием сил трения.

Ни одно из этих необычных событий не противоречит законам физики. Разбитое яйцо может восстановиться и запрыгнуть на стол – если бы молекулярные силы в нем были организованы именно так. Но это очень маловероятно. При движении вещей вниз по наклонной плоскости трение тормозит их, а не ускоряет. Удары разбивают предметы, а не собирают. Все эти явления имеют под собой совершенно определенное основание: второй закон термодинамики. (Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может взяться ниоткуда или быть уничтоженной [то есть соответствует закону сохранения энергии]; разумеется, при определении энергии нужно пользоваться уравнением Эйнштейна E = mc².)

Второй закон также гласит, что существует некая величина, называемая энтропией, которая либо остается постоянной, либо увеличивается. Сравните это с энергией, которая всегда постоянна. Она может переходить с одного объекта на другой, но ее сумма никогда не меняется. В отличие от первого закона термодинамики, второй закон не абсолютен, а вероятностен. Хотя он и может быть нарушен, вероятность его нарушения большим скоплением частиц исчезающе мала.

Энтропия и время увеличиваются вместе. Они коррелируют друг с другом. Это было известно. Новым в умозаключениях Эддингтона было то, что определяет стрелу времени именно энтропия. Она же ответственна за то, что время течет скорее вперед, чем назад. Эддингтон утверждал, что второй закон термодинамики объясняет, почему мы помним прошлое лучше, чем будущее.

Выдвинутая им идея о связи между энтропией и стрелой времени имеет такие далекоидущие последствия для нашего понимания реальности и, возможно, даже сознания, что, по мнению некоторых, о ней должны знать все образованные люди. Известный английский писатель и ученый Чарльз Сноу[99] в своей широко известной статье The Two Cultures and the Scientific Revolution[100], опубликованной в 1959 году, сожалел, что не все образованные люди знают об этом великом достижении науки. Он писал:

Много раз мне приходилось бывать в обществе людей, которые по стандартам нашей традиционной культуры считались высокообразованными и иногда с удовольствием говорили о «безграмотности» ученых. Пару раз меня провоцировали, и я интересовался, кто из этих людей может назвать второй закон термодинамики. Ответ был холодным и отрицательным. А ведь я всего лишь сформулировал научный эквивалент вопроса – читали ли они Шекспира?

Серьезный ученый сравнивает второй закон термодинамики с творчеством Шекспира! Не уверен, что согласен со Сноу, хотя его статья и оказала большое влияние на мою жизнь (это было настольное издание для студента-первокурсника Колумбийского университета). Возможно, упомянутые Чарльзом Сноу «высокообразованные» люди никогда не слышали о втором законе термодинамики, но предполагаю, большинство из них все-таки имели достаточное представление о физике, чтобы грамотно объяснить уравнение E = mc2. Наверное, все-таки аналогом Шекспира в физике могла бы быть теория относительности.

Эддингтон вознес второй закон термодинамики еще выше, отдав ему место вершины научной мысли. Он писал:

По моему мнению, второй закон термодинамики занимает главенствующее место среди законов природы. Если кто-либо скажет, что ваша любимая теория Вселенной противоречит уравнениям Максвелла, – тем хуже для уравнений Максвелла.

Если ваша теория не подтверждается экспериментальными данными… ну что же, экспериментаторы тоже иногда ошибаются. Но если ваша теория обнаруживает противоречия со вторым законом термодинамики, я не оставляю вам никакой надежды. Ей не остается ничего другого, как рассыпаться в глубочайшем уничижении.

Эти утверждения больше звучат как отрывок из религиозного трактата, чем как заявления выдающегося ученого. Однако его экстравагантная уверенность в «главенствующем месте» второго закона имеет довольно понятное основание. В самой глубинной сути этот закон гласит, что высоковероятностные события произойдут со значительно большей вероятностью, чем события низковероятностные. Звучит как сплошная тавтология, но это правда. Вскоре мы поговорим с вами о понимании вероятностей, но для начала давайте сделаем второй закон термодинамики менее загадочным. Так что же такое энтропия?

Глава 9

Раскрываем секрет энтропии

Энтропия звучит таинственно, но это все-таки и инструмент, который обладает обычными единицами измерения: калория на градус…

Я дух, всегда привыкший отрицать.

И с основаньем: ничего не надо.

Нет в мире вещи, стоящей пощады,

Творенье не годится никуда.

Гете, «Фауст», Мефистофель

Физика привыкла давать непонятные и абстрактные определения повседневным явлениям. Если только вы не закончили университет со степенью бакалавра по этой науке, вы можете быть незнакомы, например, с определением энергии, разработанным Эмми Нётер (см. главу 3), которое изучают в самых продвинутых курсах по физике:

Энергия – это сохраняющаяся физическая величина, сохраняемость которой обусловлена отсутствием явной временной зависимости в лагранжиане.

Не стоит и говорить, что это непохоже на то, чему нас учат в старшей школе или даже на последних курсах университета. Однако это определение оказывается очень полезным, когда возникают новые обстоятельства. Например, если вы – Эйнштейн и только что создали новые уравнения, которые назвали теорией относительности. И хотите пересмотреть сохранение энергии с помощью этих новых уравнений. Тогда вам нужно применить теорему Нётер. (Более подробно об этом понимании энергии см. Приложение 2.)

Другие физические понятия имеют столь же абстрактные и таинственные определения, которые могут оказаться полезными для ученых, но весьма туманными для нефизиков. Одно из них – как раз продвинутое определение энтропии. В самом абстрактном виде оно может быть сформулировано следующим образом:

Энтропия – это логарифм количества квантовых состояний, которого может достичь система.

Это пояснение настолько же легко для понимания, как и определение энергии, данное Нётер. Энтропия начинает казаться чем-то загадочным, совершенно недоступным для большинства людей, за исключением наиболее продвинутых в математическом отношении физиков-статистиков.

Если у вас сложилось такое представление, вы очень удивитесь, узнав, что энтропия чашки кофе составляет около 700 калорий на 1 °С. Энтропия вашего тела – примерно 100 000 калорий на градус. С небольшими познаниями в физике и химии, а также при наличии химического справочника вы вычислите энтропию большинства окружающих объектов. Если вас это заинтересовало, откройте страничку «Энтропия воды» в интернете.

Калории на градус? Те самые единицы измерения количества теплоты, которые изучают на уроках физики в старшей школе? Той теплоты, которую нужно перенести на объект, чтобы повысить его температуру. Это очень далеко от «логарифма количества квантовых состояний», правда? Ничего в этом нет также от «степени хаоса» или «неупорядоченности». Энтропия может быть окружена каким-то налетом загадочности, но это не миф. Она присутствует в нашей жизни и очень важна в технике.

Движущая сила огня

Так же как сегодня компьютерные технологии продвигают информационную революцию, паровые машины некогда двигали вперед революцию промышленную. В начале 1700-х годов паровые машины были огромными, занимающими целые здания, и неэффективными. И все-таки они были достаточно экономически результативными, чтобы, например, выкачивать воду из глубоких шахт. Быстрая модернизация техники началась с развитием конкуренции. В 1765 году Джеймс Уатт, чьим именем названа одна из разновидностей паровой машины, изобрел более экономичный и малый по размерам двигатель. В 1809 году Роберт Фултон создал целый небольшой флот паровых судов, которые сновали по шести рекам Америки и Чесапикскому заливу. В конце концов механизм удалось сделать достаточно компактным, чтобы сконструировать паровоз. Была создана протяженная транспортная система и открыт американский Запад. Но революция не остановилась. Современные угольные и газовые ТЭЦ можно назвать сильно продвинутыми вариантами паровой машины, точно так же, как и атомные электростанции, топливом для которых вместо угля служит уран, но теплоносителем по-прежнему оказывается пар.

Большинство решений, найденных на ранних этапах развития паровых машин, были эмпирическими. Джеймс Уатт, шотландский механик-изобретатель, обратил внимание на чрезвычайную неэффективность попеременного нагревания и охлаждения парового цилиндра и придумал отдельный конденсатор отработанного пара, который значительно повысил КПД устройства.

Но поистине революционного прогресса в понимании процессов работы тепла, не прибегая к утомительной череде проб и ошибок, добился молодой французский военный инженер Сади Карно. Он работал над физическими принципами паровых машин в начале XIX века и пришел к выдающимся результатам.

Карно понял, что работа тепловой машины необязательно должна основываться на паре. Паровая машина была только одним видом двигателя, который мог преобразовывать горячий газ в полезную механическую энергию. Аналитические разработки Карно сегодня повсеместно используются в бензиновых и дизельных двигателях. В идеале было бы желательно, чтобы вся энергия тепла переводилась в механическую энергию. Но инженер пришел к заключению, что это невозможно. Та часть тепла, которая может преобразовываться в другой вид энергии, называется коэффициентом полезного действия. Карно показал, что поддержание одной части двигателя в разогретом состоянии так же важно, как и охлаждение другой его части. Именно соотношение тепла и холода и определяет КПД. Отклонение реального КПД машины от идеального определяется соотношением Тхолода/Ттепла, в котором температуры измеряются по абсолютной шкале. Если Тхолода достаточна низка или Ттепла достаточно высока, можно приблизиться к 100 %-ной эффективности.

Современная АЭС использует уран, чтобы производить пар, и охлаждающую воду, чтобы этот пар конденсировать и вновь превращать в жидкость. Символом АЭС стали не реакторы, в которых расщепляются ядра уранового топлива, а гигантские сооружения[101], похожие на широкие заводские трубы. Ядерная реакция происходит в небольшом здании с куполом. По сравнению с величественными испарителями оно не производит никакого впечатления. И вот работа мощных энергетических станций основывается на уравнениях, выведенных когда-то Карно, в которых показывалось использование тепла и холода для достижения максимальной эффективности. По сути современнейшие атомные электростанции остаются теми же самыми паровыми машинами, каким бы странным это ни казалось. Точно так же и атомные субмарины движутся за счет пара.

При наличии горячего потока теплоносителя (пара) и охлаждающей камеры любая паровая машина должна конструироваться с максимальной тщательностью, чтобы избежать потерь тепловой энергии. Карно придумал, как это сделать, и сегодня мы называем его оптимальное виртуальное устройство циклом Карно. Мы определяем КПД других двигателей в процентах от КПД Карно. (Иногда вы можете услышать, что какой-то тепловой двигатель имеет КПД 90 %. Это значит, что он достигает 90 % от цикла Карно.) Гипотетический двигатель Карно достигает высших показателей за счет сведения к нулю производимой энтропии. Ниже я дам определение энтропии, однако важнейшим моментом в понимании существа паровых машин будет то, что вы, создавая энтропию, тем самым расходуете энергию впустую. Карно не вводил в научный оборот термин «энтропия». Он был придуман его учеником Рудольфом Клаузиусом, который взял начало «эн-» и окончание «-ия» из слова «энергия», а корень «-троп-» – от греческого «тропос», что значит «трансформация». В 1865 году Клаузиус писал:

Предлагаю назвать величину S энтропией системы, от греческого «тропос» («трансформация»). Я намеренно сделал так, чтобы слово «энтропия» максимально походило на слово «энергия». Эти два понятия так тесно связаны по их значению в физике, что некоторая похожесть в определяющих их словах кажется мне весьма уместной.

Так что, если вы перепутали энтропию с энергией, это вина Клаузиуса.

Энтропия теплового потока

В изначальной формулировке энтропия объекта определялась как нулевая в том случае, если все тепло из объекта удалено. Чтобы определить энтропию теплого объекта, необходимо начать от нулевой температуры (по абсолютной шкале, то есть по шкале Кельвина) и постепенно сообщать ему тепло, следя за поднимающейся температурой объекта. Небольшое увеличение энтропии определяется как добавленная теплота, поделенная на температуру. Если сложить все небольшие увеличения энтропии, можно получить энтропию теплого объекта. Так, например, мы измеряем энтропию чашки воды. Если температуру постепенно снижать, уменьшится и энтропия.

Обычно холодные объекты обладают низкой энтропией, а горячие – высокой. В этом смысле энтропия подобна энергии, но она безгранична и легко создается. Общее количество энергии отдельной группы предметов не меняется со временем, хотя энергия может переноситься от объекта к объекту или превращаться из потенциальной в кинетическую или из массы в тепло. Это закон сохранения энергии. В отличие от этого энтропия не сохраняется. Она может увеличиваться беспредельно. В этом смысле она подобна словам: вы можете спродуцировать столько слов, сколько вам угодно. Слова не сохраняются. (Отец Ричарда Фейнмана любил подтрунивать над сыном по этому поводу: он просил малыша помолчать, предупреждая, что иначе у него кончатся слова и он не сможет говорить.) С энтропией то же самое. Вселенная постоянно создает новую энтропию.

Энтропия может увеличиваться со временем, даже если вы ничего не делаете. Создавать ее легко. Оставьте чашку горячего кофе в холодной комнате. По мере ухода из кофе тепла энтропия напитка уменьшается (отрицательный поток тепла), но энтропия комнаты увеличивается – настолько, чтобы компенсировать ее потерю в чашке[102].

Ни один реальный двигатель не может достичь коэффициента полезного действия Карно, так что экономия энергии подразумевает движение вперед с использованием минимально возможного количества полезной энергии, необходимой для выполнения некоей работы. В конечном счете даже полезная энергия забирает тепло, и это, наряду с другими факторами, увеличивает энтропию Вселенной.

Энтропия смешения

Формирование тепловых потоков не единственный путь создания энтропии. Например, можно взять углекислый газ, образующийся в ходе работы угольной тепловой электростанции, и дать ему возможность смешаться с атмосферой. Возникающую в результате энтропию смешения легко высчитать с использованием правил и формул, разработанных Карно, Клаузиусом и их последователями. Эти формулы изучаются начальными курсами физики в университете. Добавляя шоколадный сироп в молоко, вы смешиваете две жидкости и без дополнительной энергии уже не можете их разделить. Энтропия смешения станет более понятной, когда в следующей главе мы обсудим вопрос о ее связи с ее же ошибочным пониманием.

Вот практический пример. Предположим, вы хотите опреснить морскую воду. Она представляет собой смесь воды и соли: в ней присутствует энтропия смешения. Опресняя, вы лишаете ее энтропии смешения. Второй закон (или начало) термодинамики гласит, что вы можете сделать это, только увеличив энтропию где-то еще. Например, используя тепловой поток для толкания поршня; тот оказывает на морскую воду давление, проталкивая ее через специальную мембрану, а она, в свою очередь, делит эту воду на два компонента. Расчеты позволяют определить минимальное количество энергии, которая должна быть затрачена на процесс опреснения: примерно 1 кВт/ч на 1 м³ морской воды.

Эта величина имеет практическую ценность. Однажды мне пришлось оценивать коммерческое предложение по новому методу опреснения морской воды. Первым делом я проверил, не противоречат ли излишне смелые заявления разработчиков второму закону (началу) термодинамики. Оказалось, что противоречат, поэтому я порекомендовал инвестору воздержаться от капиталовложений в проект. Изобретатель нового метода нарушил второй закон.

Расчеты энтропии могут сказать не только о том, какие заявления изобретателей окажутся фальшивкой. Они способны помочь определить достижимые цели. Если мы говорим, что стоимость электроэнергии составляет 10 центов за 1 кВт/ч, значит расходы на опреснение 1 м³ морской воды тоже составят 10 центов. Это соответствует затратам $100 на объем 1 акр-фут[103] (примерно столько воды расходует за год семья из пяти человек). В настоящее время вода с опреснительных заводов даже близко не так дешева. Компании предлагают пресную воду по $2000 за такой объем. Обычная цена артезианской воды в Калифорнии составляет от $6 до $40 за 1 акр-фут, что делает ее опреснение невыгодным. Однако во время засухи 2015 года некоторые фермеры покупали ее и по $2000. Подобная цена делала опреснение воды конкурентоспособным. (Разумеется, инвестиции в опреснительные установки по-прежнему рискованные, поскольку цена воды после окончания засухи падает.)

Один из путей снижения затрат на опреснение морской воды – использование энергии, которая обходится дешевле электрической. Например, для создания необходимого тепла могут использоваться солнечные батареи. Такие установки уже существуют на Ближнем Востоке. Парадоксально, но тот же солнечный свет может использоваться и для охлаждения. Угадайте, кто имеет соответствующий патент? Вот поразительный ответ: официальный патент США за № 1781541 на холодильник, работающий на солнечной энергии, принадлежит Альберту Эйнштейну и физику Лео Сциларду (который запатентовал атомную бомбу). Вы можете прочесть об этом в интернете. Это малоизвестный и удивительный факт, с помощью которого удастся выиграть пари.

Расчеты изменений энтропии важны для устранения углекислого газа из атмосферы, чтобы справиться с глобальным потеплением. Если выбрасывать углекислый газ в воздух, четверть его даже через 1000 лет останется там. В принципе, его можно было удалить, но он растворяется в гигантском объеме атмосферы; значит, и энтропия смешения тоже гигантская. Чтобы убрать углекислый газ из атмосферы, необходимо создать энтропию еще где-то (обычно она создается в форме тепла), однако на это нужны огромные расходы энергии. Значительно дешевле оказывается улавливать углекислый газ до того, как он смешивается с атмосферой. Или просто оставлять углерод в его природном виде в земле.

Однако на этом остановимся с описанием практической пользы от расчетов энтропии. С поведением времени энтропию связывает как раз абстрактное и мистическое ее понимание.

Глава 10

Эта таинственная энтропия

Более глубокое значение энтропии – одно из замечательнейших достижений в истории физики…

Настоящее великолепие науки в следующем: мы можем найти способ мыслить так, чтобы делать законы очевидными.

Ричард Фейнман

Самые замечательные стороны энтропии оставались глубоко сокрытыми за фасадом ее использования в технике. Простые понятия теплового потока и температуры уходили корнями в дебри квантового мира. Они медленно приоткрывались ученым по мере того, как в XIX веке создавалась и развивалась новая физическая дисциплина – статистическая физика, базировавшаяся на не подтвержденной тогда идее существования атомов и молекул. Загадки и парадоксы статистической физики привели ученых к открытию физики квантовой, а Эддингтона – к мысли о том, что время течет благодаря увеличению энтропии.

Физика бесконечных множеств

Физика может очень хорошо предсказывать поведение одного или двух атомов. Она может уверенно делать это также в отношении одной или двух планет. Труднее, когда взаимодействуют несколько объектов. Оказывается, очень сложно предсказать, будет ли стабильной система из трех планет. Уравнения нам известны, но математика не могла «решить» их, то есть записать решение в общепринятых научных функциях вроде экспоненты и косинусов, чтобы получить соответствующие значения – решить задачу аналитически, а не численно. Мы можем симулировать движение десятка планет на компьютере, что обычно и делается. К счастью, поведение трехзвездной системы хаотично, и точные данные об изначальном положении звезд и их скорости нужны только для того, чтобы сделать приблизительные оценки на будущее. Как итог – в астрономии часто неясно, стабильна та или иная звездная система или в какой-то момент одна из звезд улетит в бесконечность.

Примечательно, что по мере увеличения наблюдаемых объектов физике становится легче. Это потому, что по многим параметрам мы в действительности хотим знать средние значения, а, например, для большого множества частиц (в галлоне – 3,8 л – воздуха содержится 1023 молекул) средние значения могут быть весьма точными. Мы можем даже вычислить среднее отклонение от средних величин.

До того как появилась статистическая физика, простые законы поведения газов открывались эмпирически. В далеком 1676 году ирландский химик и теолог Роберт Бойль рядом экспериментов показал, что давление в определенном объеме газа обратно пропорционально его объему. Сожмите газ до половины изначального объема, и его давление увеличится вдвое (если поддерживается постоянная температура). В XIX веке статистическая физика объясняла это явление, постулируя наличие в газе огромного количества атомов и идею о том, что давление, по существу, было средним значением огромного числа столкновений атомов со стенками сосуда.

Объяснение поведения газов наличием в них атомов было одним из великих ранних актов универсализации физики. До возникновения теории атомов поведение газов не связывалось с законами Ньютона (например, с равенством F = ma). Существовало представление, что тепло – это отдельная жидкость, которая называется теплород[104] и якобы перемешана с газом. Но статистическая физика показала, что тепло – это энергия отдельных атомов. Быстро двигающиеся атомы – «горячие», медленные – «холодные», а температура (по абсолютной шкале) считается средней кинетической энергией каждого атома.

И здесь снова оказалась неоценимой роль Эйнштейна. В 1905 году, том самом, когда он сформулировал уравнение E = mc², ученый искал возможности доказательства атомной теории, рассчитывая эффект, который атомы могут оказывать на мельчайшие пылинки. Начав свою работу, он узнал, что этот эффект мог быть тем самым броуновским движением, которое открыл ботаник Роберт Броун в 1827 году. Рассматривая пыльцу растений в сильный микроскоп, Броун увидел, как множество мельчайших частичек совершало лихорадочные движения по всем направлениям, как будто плывя в разные стороны. Тогда признанным объяснением этого явления считалось то, что эти частицы – зародыши жизни, изначальные живые организмы типа инфузорий, первичная форма.

Нет. Эйнштейн показал: броуновское движение объясняется тем, что молекулы воды, атакующие частицы пыльцы с разных сторон, не уравновешивают друг друга. Толчки молекул с одной стороны пылинки время от времени становятся сильнее, чем с другой стороны, и частички «прыгают». Хотя в среднем они остаются на месте. Эйнштейн высчитал отклонения от среднего результата. Частицы все-таки двигаются, но не потому, что «плывут» в воде, а потому что совершают случайные перемещения, которые красочно описываются как «походка пьяного». Если человек сделает много случайных шагов в произвольных направлениях, то все равно значительно удалится от первоначального места. В среднем расстояние до него будет увеличиваться в прогрессии, выражаемой произведением длины шага на корень квадратный из количества шагов. Хотя первые эксперименты показали, что автор теории относительности ошибался в описании броуновского движения, точные измерения, сделанные известным французским физиком Жаном Перреном[105] в 1908 году, подтвердили выводы Эйнштейна и привели к широкому признанию факта существования атомов и молекул – и к принятию статистической физики.

Хотя человечество к концу XIX века уже многое знало об электричестве, магнетизме, массе и ускорении, я нахожу очень примечательным то обстоятельство, что только после работ Эйнштейна и Перрена 1905−1908 годов широкая научная общественность в целом приняла существование атомов и молекул.

В книге Георгия Гамова «Один, два, три… бесконечность», о которой я упоминал, была фотография молекулы гексаметил-бензина. На ней изображены 12 черных точек, расположенных в шестиугольнике. Я тогда полагал, что точки обозначают отдельные атомы. (Теперь я знаю, что это были сгустки атомов.) Фотография очень взволновала меня. Запечатлены атомы! В наши дни фотографии атомов стали обыденностью. Но даже еще в 1989 году, когда корпорации IBM удалось сфотографировать 35 атомов ксенона и расположить их в виде букв IBM c помощью нового сканирующего туннельного микроскопа, это стало сенсацией. Сегодня атомы уже не гипотетические частицы, но во времена Эйнштейна они именно такими и были.

Объяснение Эйнштейном природы броуновского движения, наверное, могло рассматриваться как крупнейшее научное достижение года, а возможно, и нового века. Однако в том же 1905 году Эйнштейн написал еще три великие статьи: две о теории относительности и одну о квантовой природе света. Именно последняя работа о фотоэффекте послужила основанием для присуждения ученому Нобелевской премии. Тот поразительно продуктивный для Эйнштейна год был назван annus mirabilis, или «волшебный год».

И все-таки, что же это такое – энтропия?

Статистическая физика показала, что давление создается движущимися частицами, а температура – это кинетическая энергия отдельной частицы. Энтропия получила более глубокое и замечательное объяснение в работах физика-философа Людвига Больцмана[106] за 40 лет до статьи Эйнштейна о броуновском движении. Больцман много сделал для разработки закономерностей статистической физики. С возрастом у него развилось биполярное аффективное расстройство – серьезное психическое заболевание. В 1906 году, не сумев одолеть приступ депрессии, ученый повесился. Это произошло всего за три года до того, как эксперименты Перрена убедили научный мир, что основные представления, заложенные Больцманом, были правильными.

Больцман показал, что энтропия объекта связана с количеством вариантов, которыми микроскопические молекулы могут создать его макроскопическое состояние. Это количество вариантов называется статистическим весом (числом способов [квантовых состояний] осуществления этого состояния). Представьте галлон воздуха, в котором 1023 молекул. В одном макроскопическом состоянии этого объема воздуха все молекулы могут сгруппироваться в одном его углу. Способ достижения такого состояния имеется всего один. Так что статистический вес при этом будет равен единице. В другом варианте молекулы могут быть ровно распределены в каждом кубическом сантиметре объема. Статистический вес такого состояния огромен, потому что мы можем разместить первую молекулу в любом из 3785 см³ объема галлона, вторую – в любом другом кубическом сантиметре и так далее, заботясь только о том, чтобы не «переполнить» каждый отдельно взятый кубический сантиметр. Поскольку количество молекул в галлоне воздуха колоссально – 10²³ штук, статистический вес, то есть количество вариантов заполнения молекулами этого объема, гигантский, но вычисляемый. (Ниже мы дойдем до конкретных вычислений.)

Больцман постулировал, что статистический вес состояния определяет вероятность реализации такого состояния. Наибольшую вероятность имеет равномерное распределение молекул в объеме. При расчете статистического веса Больцман включал также количество вариантов обмена энергией между частицами.

Ученый понял, что подобный подход может оказаться ключом к более глубокому пониманию энтропии. Вычислив статистический вес состояния W, он нашел, что натуральный логарифм этого числа пропорционален энтропии! Это было удивительное открытие. До этого термин «энтропия» использовался в чисто техническом смысле, обозначая минимизацию потерь тепла. Больцман показал, что это фундаментальная величина, основывающаяся на абстрактной математике и статистической физике. Вот его уравнение:

Энтропия = k lg W.

Число k – фундаментальная мировая постоянная, чтобы переводить lg W[107], безразмерную величину, в понятную инженерам энтропию, которая измеряется в калориях на градус или джоулях на градус. Сегодня k называется постоянной Больцмана; она определяет связь между температурой и энергией. (Я использовал ту же букву k в уравнении Эйнштейна, касающемся общей теории относительности, но это другое число.) Эта постоянная настолько важна, что каждый студент, изучающий физику, запоминает ее наизусть[108]. Больцман так гордился своим уравнением, что завещал выгравировать его на своей могиле, что и было сделано.

Определение множества гугол было придумано девятилетним Милтоном Сироттой, когда его дядя математик Эдвард Каснер попросил нарисовать после единицы столько нолей, сколько мальчик был в состоянии изобразить. Позднее они вдвоем решили, что гугол – это число, обозначаемое единицей со 100 нолями. Это можно записать так: 1 гугол = 10100. (Компания Google была названа по этому слову, правда с ошибкой в написании, Шоном Андерсоном, другом основателя Google Ларри Пейджа.) Количество атомов в нашей Вселенной оценивается в 10^78. Это меньше, чем гугол, на 1 с 22 нолями. Однако статистический вес контейнера с газом, то есть число способов достижения его макроскопического состояния, – это 1 с 10^25 нолями. Это число –

– многократно больше гугола. Но меньше гуголплекса.

Что же такое гуголплекс? Это монстроподобное число определяется как 1 с гуголом нолей. (Это, кстати, был первоначальный вариант названия компании Google, предложенный Андерсоном.) Оно может быть записано как

Оно так огромно, что многие считают его нереальным. Оно больше, чем количество кубических миллиметров в известной нам Вселенной. Но оно используется в статистической физике при расчете энтропии Вселенной, которая оценивается австралийскими учеными Часом Эганом и Чарльзом Лайнвивером величиной 3 × 10^104k. Это число – логарифм статистического веса W. Сама же величина W намного больше[109]. Число способов перераспределения вещества во Вселенной без изменения ее нынешнего состояния (те же звезды и другие космические тела – то есть W для нашей Вселенной) – больше, чем гуголплекс, намного больше, чем

Получается, что статистический вес Вселенной больше, чем если гуголплекс помножить на число 1 с 10 000 нолей.

Тирания энтропии

Как реальные молекулы могут разместиться в реальной емкости? Как поделят имеющуюся энергию? Главная идея Больцмана заключалась в том, что состояние с наибольшим статистическим весом будет доминировать. Более высокая энтропия выигрывает, и выигрывает сильно, потому что соответствующие вероятности определяются не логарифмом W, а самим W, то есть числом способов осуществления этого состояния, которое всегда будет больше его логарифма.

Результаты в статистической физике требуют предположения, что вероятность любого состояния зависит от числа способов его достижения. Это предположение не самоочевидно. Оно называется эргодической гипотезой[110]. На самом деле оно в строгом смысле неистинно. Если у вас две емкости, одна из которых заполнена газом, а другая пуста, состояние максимальной энтропии наступит, когда каждая емкость заполнится только наполовину. Но если эти емкости не соединены между собой, газ не может перемещаться из одной в другую. Таким образом, состояние максимальной вероятности оказывается недостижимым.

Это пояснение может звучать весьма тривиально, но оно очень важно с точки зрения понимания времени. Оно заставляет нас дать энтропии другое определение: энтропия не логарифм числа способов наполнения емкостей, а логарифм доступных таких способов. Подсчитывая их, не принимайте во внимание способы наполнения емкостей, нарушающие какие-то другие законы физики (например, что молекулы могут проникать сквозь стенки сосудов). Далее в этой книге статистический вес W будет обозначать число доступных способов наполнения емкостей.

Человек не в состоянии ограничить рост энтропии, но может установить некий контроль над достижением доступных состояний. Я попытаюсь доказать, что такой контроль можно считать ключевым в свободе выбора человека. Мы не в силах уменьшить энтропию Вселенной, но можем сделать свой выбор: соединять или нет две емкости с газом. Если не соединим, энтропия Вселенной будет меньше, чем в противном случае.

Мы можем также управлять локальной энтропией, снижая ее по нашему желанию. Это делает, например, кондиционер воздуха. Он охлаждает воздух внутри помещения, уменьшая энтропию в доме, и выбрасывает тепло наружу. Увеличение энтропии в чуть потеплевшем воздухе снаружи больше, чем количество энтропии, уменьшившееся внутри. Таким образом, использование этого устройства охлаждает нас и снижает нашу собственную энтропию, но повышает общую энтропию Вселенной.

Жизнь представляет собой локальный пример уменьшения энтропии. Растения забирают немногочисленный рассеянный углерод из воздуха, соединяют его с водой, получаемой из почвы, и при участии энергии солнечного света создают сложные молекулы крахмалов, которые организуются в высокоупорядоченные структуры. Энтропия молекул, из которых состоят растения, уменьшается, но общая энтропия повышается, главным образом за счет тепла, выбрасываемого в атмосферу.

Энтропия – это беспорядок

Часто говорят, что энтропией измеряется степень беспорядка и хаоса. Состояние газа с низкой энтропией подразумевает нахождение молекул на одной области пространства с высокой степенью организации. Состояние с высокой энтропией означает, что молекулы распределены в значительном пространстве и не упорядочены. Высокая энтропия относится к состоянию, которое возникает с большой вероятностью в результате случайных процессов. Низкая энтропия – такая организация вещества, которое в реальности маловероятно. Высокоорганизованное состояние, как следует из самого названия, не может быть итогом случайных природных процессов[111].

В принципе, если вы имеете дело с такой системой, как, например, идеальный тепловой двигатель Карно для получения полезной механической работы путем использования горячих газов, общая энтропия может остаться постоянной. Но этот идеальный двигатель пока не создан. На практике энтропия всегда увеличивается – в том смысле, что увеличивающийся хаос неизбежен. Перенос тепла от горячего объекта к холодному увеличивает энтропию. Наша Вселенная теряет свою организованность и медленно, но верно, становится все более подвержена случайностям.

Разбейте чашку – и вы увеличите энтропию ее молекул. Будучи разъединенными, они находятся ближе к первоначальному естественному случайному состоянию. Попробуйте выбросить эти молекулы в космическое пространство, позвольте им рассеяться – вы нарушите порядок и увеличите энтропию. Создавая чашку, мы уменьшаем локальную энтропию за счет остальной Вселенной. Большая часть того, что мы считаем цивилизацией, основана на локальных уменьшениях энтропии.

Энтропия и квантовая физика

Статистическая физика удивительным образом привела к открытию физики квантовой. Нагрейте какой-то предмет до нескольких тысяч градусов по Фаренгейту, и он засветится видимым светом: этот свет будет красным. Статистическая физика объясняла это излучением вибрацией молекул в предмете[112]. Считалось, что движущиеся при этом электрические заряды порождали свет. Но расчеты, сделанные с позиций статистической физики, показывали, что это излучение должно иметь бесконечную энергию при уменьшении длины волны излучения (то есть смещении в ультрафиолетовую область), и эту проблему назвали ультрафиолетовой катастрофой[113]. По сути это знаменовало большие затруднения и даже крах статистической физики.

Немецкий физик Макс Планк в связи с этим предложил странное на первый взгляд и «нефизическое» решение. Он нашел уравнение, которое объясняло фактические наблюдения. Сегодня мы называем его формулой Планка. Это была математика, а не физика. Затем ученый начал искать новый физический принцип, который, в случае истинности, объяснил бы получение уравнения. Решение было найдено: он понял, что атомы могут эмитировать свет только порциями, которые назвали квантовыми. Эта поразительная идея стала основным принципом квантовой физики.

Планку пришлось предположить: когда атом испускает свет частотой f, энергия этого света должна представлять собой произведение этой частоты на базовую единицу энергии h. Он записал формулу в таком виде:

E = hf.

Число h подобрал таким образом, чтобы наблюдаемое излучение от горячих объектов соответствовало его формуле. Сегодня мы знаем это число как постоянную Планка, и это одна из самых знаменитых величин. Ученые часто говорят, что любая формула, которая не содержит h, принадлежит классической физике, а та, которая эту константу содержит, находится в области квантовой.

Предположение Планка в 1901 году было сделано произвольно. Его формула соответствовала экспериментальным данным, однако предположение о том, что черное тело эмитирует свет порциями – квантами, не имело подтверждения. Спустя четыре года Эйнштейн понял, что несколько иная интерпретация гипотезы Планка может быть использована для объяснения совершенно другой загадки – фотоэлектрического эффекта. Сегодня на нем основана работа солнечных батарей и цифровых фотокамер. Этот эффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем (тем самым немецким ученым, который обнаружил радиоволны и чьим именем названа единица частоты герц, которая присутствует в повсеместно распространенном электричестве [с частотой 50 герц[114] ]).

Герц открыл, что свет, падающий на поверхность какого-то предмета, «выбивает» из него электрон. Одновременно он обнаружил, что энергия этого электрона зависит от цвета луча (то есть от его частоты), а не интенсивности. Это открытие было очень загадочным. Увеличивая интенсивность светового луча, Герц получал не электроны с увеличенной энергией, а рост их количества. Это наблюдение не имело особого смысла, если исходить из того, что свет – вид электромагнитного излучения.

Эйнштейн понял, что может объяснить фотоэлектрический эффект Герца, если предположит, что сам свет разделен на кванты. (Планк полагал, что на кванты делится атом.) Эйнштейн назвал эти частицы света кванты; позже ученые назвали их фотонами. По существу, Эйнштейн открыл фотон. Во всяком случае, он был первым, кто признал его существование. Каждый фотон выбивает один электрон. Он сообщает этому электрону энергию hf. Таким образом, энергия электрона зависит от частоты света. Более интенсивный свет подразумевает, что в нем просто больше фотонов и что он «выбивает» больше электронов. Именно объяснение Эйнштейном фотоэлектрического эффекта принесло ему Нобелевскую премию в 1921 году.

По иронии судьбы квантовое объяснение эффекта фотоэлектричества утвердило Эйнштейна также в качестве одного из основателей квантовой физики. Ирония в том, что он никогда не принимал квантовую теорию, по крайней мере в том ее варианте, который стал доминировать в физике (речь идет о копенгагенской интерпретации квантовой механики).

* * *

Энтропия увеличивается. Время бежит вперед. Какая связь между ними? Простая или причинно-следственная? Артур Эддингтон утверждал, что энтропия и время связаны, но эта связь неочевидна. Энтропия не просто растет со временем, как заключила статистическая физика. Эддингтон считал, что все как раз наоборот: ведущим элементом здесь была энтропия. Энтропия оказывается причиной того, что время движется.

Глава 11

Объяснение времени

Эддингтон объясняет, как энтропия определяет направление стрелы времени

Те проблемы, которые стоит решать, доказывают всю ценность сопротивлением их решению.

Пит Хейн[115]

Спросите случайно встретившегося физика: «Что заставляет время двигаться вперед?» Не знаю, со сколькими физиками вы знакомы, но я их знаю предостаточно. И я пробовал задавать этот вопрос многим из них. Ответом было обычно нечто типа: «Возможно, энтропия». Потом физик обычно старался пояснить свой ответ: «Я не уверен, что это так. Но мне кажется, что это единственное, что у нас есть».

Это единственное, что у нас есть

Пожалуй, самая интересная часть ответа в том, что ваш случайный физик, судя по всему, уже задумывался над этой проблемой. Век назад такой вопрос вы, скорее всего, задали бы философу. Посмотрите, что говорили Шопенгауэр, Ницше или Кант (хотя последний был еще и ученым), и вы увидите, что они обращали внимание на эту проблему. До эпохи Просвещения вы, наверное, спросили бы об этом священников или теологов, таких как Августин или Оккам[116]. Но благодаря Эйнштейну такие вопросы стали частью физики. Сегодня вы даже не смогли бы обратиться к этому вопросу, не зная теории относительности и не понимая колоссального рывка, сделанного Эйнштейном в определении времени и пространства.

В известной книге The Nature of the Physical World («Природа физического мира») Артур Эддингтон утверждал, что стрела времени определяется энтропией. Издание было написано без излишней научности (несмотря на то что Эддингтон блестяще владел продвинутыми математическими методами) и не адресовалось научной общественности, хотя дело обстояло именно так. Этой работой можно насладиться и сегодня, она доступна в интернете (англоязычном. Прим. ред.). По сюжету идет как бы возвращение в детство в стиле Эйнштейна, при этом в ней есть важный тезис: о времени нужно говорить понятным языком.

Эддингтон утверждал, что направление стрелы времени устанавливает единственный физический закон – второе начало термодинамики[117]. Все другие теории в физике – классическая механика, электричество и магнетизм и даже находившаяся тогда на подъеме квантовая физика, – как представлялось, неспособны отличить прошлое от будущего. Планеты могут двигаться по своим орбитам в обратном направлении. Антенна для излучения радиоволн может с таким же успехом использоваться и для их приема. Атомы испускают свет, однако они его и поглощают: оба этих процесса легко описываются одними и теми же уравнениями. Пустите кинопленку в проекторе с конца, и вы не нарушите никаких законов физики. Никаких, кроме второго закона термодинамики. Никаких, за исключением закона, который гласит, что энтропия будет всегда увеличиваться (не убывать) со временем.

Сегодня появились убедительные доказательства того, что стрела времени прочно присутствует еще в одной области физики. Это физика радиоактивного распада, которую всегда считали областью «слабых взаимодействий». Уже есть свидетельства в пользу того, что закон симметрии времени может нарушаться в некоторых процессах распада. Однако это не изменило мнение ученых по поводу стрелы времени: они по-прежнему привержены ее объяснению с позиций энтропии. Я вернусь к этому после обсуждения стрел энтропии Артура Эддингтона.

Кино, прокрученное в обратном направлении

Ранее я просил вас представить кадры кинопленки, на которых чайная чашка падает со стола. Вы можете с уверенностью сказать, в каком направлении прокручивается пленка, потому что в реальной жизни чашки не собираются из осколков на полу и не запрыгивают целые и невредимые обратно, на стол. Микроскопические молекулярные силы могли, наверное, сделать это, если бы все разом начали действовать в одном направлении. Но вероятность этого исчезающе мала. Так что, даже если вам не сказали, с какого конца запущена кинолента, направление стрелы времени было бы для вас вполне очевидным. Чайная чашка – это, конечно, очень наглядный пример, но можно подумать и о громадном множестве других примеров. Сгорают звезды. Истощаются запасы жидких углеводородов. Мы умираем, а наши тела разлагаются. Увеличение энтропии неизбежно.

Предположим, вас наделили полным знанием о двух мгновениях времени в нашей Вселенной и попросили определить, какое из них случилось первым. Как вы можете это сделать? Ответ простой: вычислить энтропию двух моментальных снимков. Тот момент, энтропия которого была меньше, произошел раньше. Физики считают, что энтропия вполне убедительно задает направление стрелам времени.

Первичные и вторичные законы физики

Второй закон термодинамики, устанавливающий, что энтропия увеличивается, вообще-то довольно странный. Он ничего не прибавляет физике, кроме утверждения, что более вероятные процессы происходят с большей долей вероятности. Почему же тогда это начало квалифицируют как физический закон? Разве эта тавтология не самоочевидна и не тривиальна? И если уравнения механики, электричества и магнетизма – то есть реальной физики – не дают направления времени, почему это делает какой-то довольно ненаучный закон, который на этих областях физики и основывается?

Эддингтон хорошо знал об этом парадоксе. На самом деле он ввел различия в законы физики, разделив их на первичные и вторичные. Энтропия определенно была законом вторичным, выведенным из других законов и не имевшим собственного твердого основания.

Усилим этот парадокс. Давайте исходить из представления об истинности классической физики, то есть той, на которой основывается второе начало термодинамики. В этой физике, если вы знаете точное местоположение и характеристики движения каждой частицы (отставив в сторону принцип неопределенности квантовой физики), разве вы не можете, хотя бы в принципе, предсказать будущее? Здесь не нужны расчеты вероятностей и законы случайностей. Как же тогда могут фундаментальные законы, не имеющие стрелы времени, породить вторичный закон, у которого такая «стрела» имеется?

Ответ в том, что нынешняя Вселенная очень высоко организована – по причинам, которые Эддингтон вначале не мог определить. В нашем мире низкая энтропия. Когда вы заставляете газ, сконцентрированный в одном углу емкости, распределиться по всей этой емкости, вы имеете дело с огромным увеличением энтропии. А материя во Вселенной сосредоточена компактно в разных ее областях, как газ, скопившийся в каком-то углу емкости. Большая часть видимой массы Вселенной обнаруживается в звездах, небольшая часть – в планетах; и все это окружено пустым пространством. (Здесь я не касаюсь вопроса о темной материи, которая была неизвестна во времена Эддингтона.) Так что во Вселенной много пустого пространства, которое могло быть заполнено для увеличения энтропии. Другими словами, дальнейшая организация Вселенной очень маловероятна. Благодаря тому, что сейчас она очень высоко организована и с большой вероятностью идет по пути дезорганизации, время движется вперед.

Если вы верите, что Вселенная бесконечно стара, значит, у нее было бесконечное время для эволюции и бесконечное время для увеличения энтропии. Тогда можно предположить, что максимальный уровень энтропии во Вселенной должен был быть достигнут давным-давно. Почему же этого не случилось?

Почему наша Вселенная столь невероятна

Некоторые думают, что нынешнее состояние Вселенной, с ее относительно высокой организацией и низкой энтропией (в сравнении с той, какой она могла бы быть), подразумевает существование Бога. Артур Эддингтон сформулировал это более элегантно. Он сказал (в упомянутой книге):

Направление «стрелы времени» может быть определено только такой несочетаемой смесью теологии и статистики, как второе начало термодинамики. Или, если выражаться точнее, направление «стрелы» может быть определено на основе законов статистики; но ее значение как важнейшего фактора, определяющего смысл мира, может быть выведено только на основе телеологических[118] представлений.

Если вам необходимо освежить знание философских терминов, предлагаем определение слова «телеологический», данное академическим толковым словарем Oxford English Dictionary:

Телеологический – имеющий отношение к целям и конечным причинам или связанный с ними; имеющий дело с замыслом или целью, особенно в области природных явлений.

Время движется вперед потому, что наше нынешнее состояние высоко невероятно. В окружающем мире есть большие концентрации массы, но и огромные пустые пространства. Его температура неуниверсальна, поэтому тепло может переноситься в пространстве, объекты способны разрушаться, а масса – распространяться в космосе. Чтобы Вселенная стала организованной, наличие Бога вовсе не обязательно. Однако наша Вселенная действительно хорошо организована.

Конечно, если именно Бог создал нашу Вселенную с низкой энтропией, это вполне мог быть «Бог по Спинозе». Он лишь создал мир, а затем разрешил ему эволюционировать самому. Такой подход называется деизм[119]. Непонятно, заботится ли такой Бог о поклонении себе и стоит ли он такого поклонения. Многие теологи рассматривают деизм как вариант атеизма – один из способов для нас сказать, что мы верим в Бога, когда на самом деле в него не верим.

Когда Эддингтон писал свою книгу, на другом краю света, в Пасадене, происходило другое фантастическое открытие. То, что обнаружил астроном Эдвин Хаббл[120], привело к созданию теории, объясняющей, что для приобретения временем стрелы направления необходима высокая организация Вселенной. Согласно новому представлению, наша Вселенная так организованна, потому что еще сравнительно молода. Название этой теории, которое мы используем и сегодня, дал астроном Фред Хойл[121] – кстати, пытавшийся высмеять ее. Это теория Большого взрыва.

Глава 12

Наша маловероятная вселенная

Чтобы энтропия увеличивалась, как предсказывает Эддингтон, Вселенная должна иметь низкую энтропию. Но как это возможно?

Если долго всматриваешься в бездну, бездна начинает всматриваться в тебя.

Фридрих Ницше

В 1929 году Эдвин Хаббл сделал открытие, которое, казалось, отбросило науку на 400 лет назад. Да, Земля по-прежнему вращалась вокруг Солнца, как и говорил Коперник, но в более широком смысле стало понятно, что прав был Птолемей. Наша галактика Млечный Путь, то есть совокупность окружающих нас звезд, начала представляться центром Вселенной.

Чтобы понять, что же обнаружил Хаббл, давайте сначала вспомним, что он искал. Хаббл изучал галактики – огромные скопления звезд, похожие на наш Млечный Путь. Почти триллион звезд вращается по почти круговым орбитам. Практически все звезды, которые мы наблюдаем в ночном небе, входят в нашу галактику. Если вы посмотрите на небосклон в ясную зимнюю ночь, вдалеке от городских огней, увидите прямо над головой расплывчатое пятно угловым размером с полную Луну. Это созвездие Андромеды[122].

Если рассматривать ночное небо с помощью самых мощных телескопов, нашим глазам предстанут триллионы таких галактик. Во Вселенной существует больше галактик, чем звезд в нашей галактике. Отдельные звезды созвездия Андромеды находятся ближе и «светят» ярче. Мы смотрим сквозь них, чтобы увидеть за ними само созвездие.

Яркая точка в середине состоит из нескольких миллиардов звезд, окружающих то, что, по мнению астрономов, можно назвать супертяжелой черной дырой, которая сама содержит примерно 4 000 000 звезд.

До исследований Хаббла большинство астрономов считали такие галактики огромными скоплениями газа, на заднем фоне которых располагались звезды. В 1926 году ученый получил убедительные доказательства того, что это на самом деле скопления звезд, гораздо дальше отстоящие от нас, чем звезды в созвездиях, имеющих названия. Потом последовало его ошеломляющее открытие: 24 галактики, которые он наблюдал, удаляются от нас весьма необычным образом. Чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется. Создавалось впечатление, что прямо в области нашего положения во Вселенной произошел гигантский взрыв и части ее, двигающиеся с наибольшей скоростью, сейчас самые отдаленные.

Хаббл предположил, что этот взрыв произошел около 4 миллиардов лет назад. Однако инструменты для измерения космических расстояний были еще несовершенными. Сегодня, используя его данные с поправкой на ошибки, ученые полагают, что взрыв произошел 14 миллиардов лет назад. Более того, сейчас мы знаем, что открытие Хаббла действительно не только в отношении 24 ближайших к нам галактик, но и для сотен миллиардов других, ставших видимыми благодаря супертелескопу, который в честь ученого назвали «Хаббл»[123].

Это было одно из важнейших, если не самых важных, экспериментальных открытий XX века, и так отмеченного огромным количеством достижений. Его можно соотнести по важности с телеологической теорией Коперника, который 400 лет назад пришел к выводу о том, что Земля вращается вокруг Солнца. Казалось, Хаббл ставит Млечный Путь в центр Вселенной.

Но так интерпретировать его концепцию неправильно. Открытие Хаббла не поставило нас в центр Вселенной, и он прекрасно это осознавал. Поместите себя в собственную систему отсчета любой из удаляющихся галактик. Все они разлетаются все дальше и дальше друг от друга. В вашей системе отсчета все эти объекты удаляются от вас. Неважно, в какой из галактик вы находитесь. Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) действует одинаково для всех.

Это замечательное свойство закона Хаббла легче всего представить на примере батона с изюмом. Вообразите, что вы изюминка в батоне, который, выпекаясь, расширяется. Соседи-изюминки становятся все дальше и дальше от вас. Те, которые находятся от вас на расстоянии, вдвое превышающем расстояние до ближних, удаляются от вас вдвое быстрее. Может создаться впечатление, что вы находитесь в центре батона, но, возможно, все иначе. Тот же самый закон действует в отношении всех изюминок. И хотя публика думала (ошибочно), что открытие Хаббла поставило Землю в центр Вселенной, ученый быстро объяснил, что это не так.

Не нужна никакая кора

Еще одно объяснение расширения Вселенной было куда более фантастичным. Оно было предложено за два года до открытия Хаббла Жоржем Леметром[124], бельгийским священником и профессором физики Лувенского католического университета. Леметр выдвинул модель, основывающуюся на общей теории относительности, согласно которой ранняя Вселенная представляла собой «космическое яйцо, взорвавшееся в момент творения». Этой же идеей Леметр объяснял и возникновение «первичного атома». Некоторые считают, что заслуга в разработке теории расширения Вселенной принадлежит Леметру, а не Хабблу. Однако в своих работах Леметр отталкивался от некоторых предварительных результатов, полученных Хабблом. К тому же они были опубликованы в малоизвестных бельгийских научных журналах, которые за пределами страны мало кто читал. Леметра называли «величайшим ученым, о котором никто почти ничего не знал».

Леметр изучал общую теорию относительности и применял ее ко Вселенной в целом. Открытия Хаббла убедили священника в том, что Вселенная расширяется. Но, по мнению Леметра, взорвалась не материя, заключенная в какой-то части космоса, а сам космос. Эта концепция хорошо согласовывалась с уравнениями Эйнштейна.

Эйнштейн считал, что Вселенная статична, и даже добавил в свои уравнения так называемую космологическую постоянную. По сути, она вводила в уравнения силы отталкивания, позволяющие преодолеть взаимное притяжение космических объектов, что вызвало бы коллапс Вселенной. Эйнштейн посчитал идею Леметра о расширяющейся Вселенной несерьезной и сказал ему: «Ваши вычисления правильные, но ваша физика ужасна».

Однако после открытий Хаббла Леметр стал неожиданно знаменит. 31 января 1931 года газета New York Times вышла под громогласным заголовком: «Леметр выдвигает идею о том, что начало Вселенной положил один-единственный великий первоатом, в котором была сконцентрирована вся энергия». Эйнштейн убрал свою космологическую постоянную и впоследствии сожалел, что применил ее. Известный советский физик Георгий Гамов говорил, что Эйнштейн рассматривал ввод этой постоянной в свои уравнения «как величайшую ошибку всей жизни». (Это ирония судьбы. Сегодня мы верим в то, что космологическая постоянная очень важна и необходима в космологии. Я коснусь этого вопроса во время рассказа о темной энергии.)

В 1933 году газеты сообщали, что после лекции Леметра в Принстоне Эйнштейн встал и сказал: «Это самое красивое и удовлетворительное объяснение творения, какое я только слышал». Он явно изменил свою точку зрения на «ужасную» физику ученого. Леметр также высказал предположение, что космические лучи (радиация), открытые в 1912 году, могли быть «остатками» Большого взрыва. По этому поводу он ошибался. Действительно, это были «остатки», но только в виде микроволнового (реликтового) излучения, а не радиации. Однако люди склонны забывать теоретические ошибки физиков. К сожалению, это не распространяется на экспериментаторов.

Согласно математическим расчетам Леметра, каждая галактика занимала в космосе определенное местоположение. Закон Хаббла появился не из-за движения галактик, а благодаря расширению космического пространства между ними. Он стал еще одним примером действия уравнений Эйнштейна, которые допускали «резиноподобную» природу пространства. Мы уже видели гибкость пространства применительно к релятивистской теории (глава 2), включая парадокс с шестом и сараем и две уловки со скоростью света (глава 5).

Космологическая модель Леметра используется по сей день, хотя теперь ее иногда называют моделью Фридмана−Леметра−Робертсона−Уокера (FLRW) по именам других космологов-теоретиков, участвовавших в ее развитии. Эта модель оправдала предсказания относительно природы очень отдаленных областей нашей Вселенной. Ученые вскоре запустили в научный оборот термин космологический принцип, который суммировал все приближенности и констатировал, что Вселенная везде одинакова и такая же, как и в области нашего существования[125].

Около 14 миллиардов лет назад (если точнее, 13,8) материя находилась в сильно сжатом состоянии (принято говорить «в состоянии сингулярности»), а затем космос взорвался. Материя начала все сильнее и сильнее распадаться по фиксированным координатам. Локально под действием собственных гравитационных сил она сформировалась в некие сгустки, которые сегодня мы называем кластерами (объединением нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определенными свойствами). Затем внутри этих сгустков под действием своей гравитации материя организовалась в галактики, а уже внутри них, опять же под воздействием собственной гравитации, сформировалась в молекулярные облака, звезды и планеты, в том числе и нашу. (В Приложении 4 вы найдете стихотворение, описывающее формирование Вселенной.)

Почему имя Леметра не так широко известно, как имя Хаббла? Одна из причин – то, что за ним не стоит суперсовременный телескоп, который назван по его фамилии (как телескоп Хаббла). (Я вырос в Нью-Йорке и никогда не слышал об итальянском путешественнике Вераццано, пока его именем не назвали самый большой мост в городе.) Тем не менее все астрономы и космологи знают Леметра. Закон расширения Вселенной мы называем именем Хаббла, и это частично определяется тем, что начальные выводы Леметра базировались на ранних данных Хаббла, которые в то время не подтверждали их научную справедливость.

В раннем варианте модели Леметра 36 из 38 галактик оказались удаляющимися (приближается к нам только галактика Андромеды). Но скорость их удаления не была пропорциональна расстоянию, как того требовала модель Леметра (хотя точки их положения оказались разбросаны со случайностью, приближающейся к среднему показателю). Судя по всему, Леметр сам поверил, что это противоречие свидетельствовало не о слабости теории, а об ошибках в экспериментах. Его концепции оставалось только дожидаться получения более точных данных. Не исключено, что он опубликовал свою теорию в малоизвестном журнале как раз для того, чтобы никто ее не заметил, окажись она ошибочной.

Действительно, предварительные данные Хаббла могли быть интерпретированы как опровергающие предсказание Леметра. Если бы последний четко написал в своей известной теперь статье что-то вроде: «Когда будут сделаны более точные измерения, все галактики окажутся расположены вдоль одной линии, а скорости их удаления от нас будут пропорциональны разделяющему нас расстоянию», если бы он тогда набрался смелости сделать это однозначное заявление, возможно, сегодня мы называли бы закон расширения Вселенной именем Леметра. И в мире существовал бы мощный телескоп, названный в его честь.

В начале всего…

В модели Леметра, принятой сегодня большинством ученых, ключевым моментом можно назвать расширение космического пространства. Понятие расширения, разумеется, обязано появлением идеям Эйнштейна о «резиноподобном» пространстве, а точнее – его уравнениям общей теории относительности. Однако прежде чем мы выйдем на более глубокие мысли об этом, интересно подумать о философских аспектах расширения.

Большой взрыв не был расширением материи в космосе: это было расширение самого космического пространства. Такое пространство может создаваться и создается все время, в течение которого Вселенная расширяется. Что же случилось в момент Большого взрыва? Существовал ли до этого вообще космос?

Мой любимый ответ (основывающийся на размышлениях, а не научном знании) – нет. Космоса не существовало до первого мгновения Большого взрыва. Откуда он тогда взялся? Очевидно, ответить на этот вопрос невозможно, потому что любой ответ подразумевает (перефразируя известную американскую писательницу Гертруду Стайн[126]), что с ним мы уйдем в бесконечность. Но если не было космического пространства, то из чего все взялось? Мы можем предположить (цитируя известного писателя-фантаста Рода Серлинга), что существует «пятое измерение, неизвестное человеку». Может быть, космическое пространство зародилось там? А может, это всего лишь уловка? Тогда давайте применим свою уловку: проигнорируем вышеприведенный вопрос и зададим другие.

Физики представляют себе пространство не как пустоту, а как субстанцию. Только это не материальная субстанция, а что-то гораздо более фундаментальное. Пространство может колебаться разными способами. Колеблющееся пространство проявляет себя в виде энергии и материи. Один вид колебаний – световая волна, другой – то, что мы называем электроном. Если космического пространства не существовало до Большого взрыва, то ничего не могло и колебаться, поэтому не появились бы ни материя, ни энергия. До того как возникло пространство, не было ничего, что мы могли бы назвать реальным. Это просто невозможно было бы никак описать.

Подчеркиваю – подобные идеи не вполне научные. Это просто размышления ученого. Уверен, я не первый ученый, кто предается таким мыслям. Они не совсем подходят для научно-популярной литературы. Но это как раз те идеи, с которыми ученые любят играть, освобождаясь от жестких рамок профессии. Может, они и приведут меня к чему-то, но пока это просто фантазии.

Пространство и время связаны теорией относительности. Мы не живем отдельно в пространстве и отдельно во времени. Мы живем в пространстве-времени. Подумайте о философском содержании этого постулата. Если во время Большого взрыва появилось пространство, вероятно, то же самое произошло и со временем? Ни пространство, ни время не существовали до Большого взрыва. Вопрос о том, что произошло до начала времени, бессмыслен, потому что этого «до» не было. Это примерно как спросить: «Что произойдет, если положить два объекта на расстоянии меньше нуля? Что будет, если вы заморозите классический объект до температуры ниже абсолютного нуля, так что движение частиц в нем будет медленнее, чем движение вообще?» На все эти вопросы нет ответов, потому что они бессмысленны.

Августину Аврелию такие размышления понравились бы. Он утверждал, что Бог выходит за пределы времени, он вне времени. Подозреваю, что если бы Августин был сегодня жив, он страстно молился бы за то, чтобы именно Бог был тем, кто создал и пространство, и время.

Решение загадки

С открытием Хабблом закона расширения Вселенной мы получили объяснение тому, почему она так высоко организована. Именно высокая организация Вселенной, по мнению Эддингтона, и стала главным условием, определяющим направление стрелы времени. Ранняя Вселенная, как бы вы себе ее ни представляли: компактным куском камня, плавающего в бесконечном пространстве, или моделью Леметра, в которой масса заполняет всю Вселенную, – была очень сжатой. По мере образования пространства вокруг вещества появлялось больше места для распределения материи и энергии.

Расширение Вселенной подразумевает, что ее материя находилась в состоянии сравнительно низкой энтропии, по сравнению с тем, каким бы этот уровень мог быть. Создание космоса означало, что для новых возможных состояний материи появлялось больше пространства. То есть возникали возможности для увеличения энтропии. Имея возраст всего 14 миллиардов лет, Вселенная не смогла еще достичь максимально возможной энтропии. Эта идея – о том, что хотя энтропия продолжает увеличиваться, еще сильнее растет и максимально возможный уровень энтропии Вселенной, – была впервые высказана физиком из Гарварда Дэвидом Лейзером[127].

Нижеследующий пример показывает, как расширение Вселенной увеличивает энтропию. Возьмите цилиндр с газом, заполняющим его с одного конца, и поршнем, отделяющим этот газ от вакуума на другом конце. Представьте, что цилиндр некоторое время находился в покое, поэтому газ внутри него достиг состояния с максимальной энтропией. Очень резко сдвиньте поршень, чтобы газ смог заполнить вдвое больший объем. Сделайте это быстро, чтобы по-прежнему с одного конца в цилиндре оставался газ, а с другого – вакуум. Теперь газ уже не в состоянии максимальной энтропии. Он не останется в прежнем объеме, а потечет и займет новый объем, расширившись до более высокого состояния энтропии.

В каком-то смысле именно это и произошло во время Большого взрыва. Создалось большое пространство, и материя, которая раньше концентрировалась с максимальной энтропией в небольшом объеме, перестала находиться в этом состоянии (максимальной энтропии) в новом большом пространстве. Количество материи не изменилось. Возросло число способов заполнения ею Вселенной. Это объясняет нынешнюю низкую энтропию во Вселенной и, согласно идеям Эддингтона, совершенно однозначно определяет направление стрелы времени. Разумеется, как всегда в науке, ответ на один вопрос порождает много новых вопросов. Больше не нужно спрашивать, почему мы находимся в состоянии низкой энтропии. Теперь речь о другом: почему Вселенная расширяется? Что послужило причиной? Закончится ли это когда-нибудь?

Сможем ли мы когда-нибудь получить окончательный ответ? Думаю, нет. Мы делаем новые открытия, и они оказывают влияние на возможный ответ. Одно из последних – обнаружение темной энергии (я расскажу об этом позднее) – кардинально изменило уравнения будущего расширения Вселенной. Нам достаточно хорошо известны законы физики, но знание Вселенной и ее природы пока ново и неопределенно. Может быть, через несколько десятилетий или даже веков мы обнаружим что-то принципиально свежее относительно причин расширения Вселенной, и это снова изменит наши выводы. Думаю, нас должна радовать мысль о том, что объекты для открытий еще далеко не исчерпаны.

Мифы Древней Греции рассказывают о Сизифе, царе Коринфа, который после смерти навечно был приговорен богами к тому, чтобы закатывать огромные камни на гору, давать им скатиться вниз и снова заталкивать вверх. Его бесплодный труд никогда не закончится. Великий писатель-экзистенциалист Альбер Камю проводил отсюда параллель с нашей жизнью: мы рождаемся, живем, умираем – ради чего? Камю провозглашал, что проживание жизни само по себе великая цель, и делал вывод, что Сизиф счастлив.

То же самое можно сказать и об ученых. Мы никогда не можем ответить на все вопросы. Ответишь на один, и тут же выскакивают новые, еще более сложные. Другая классическая аналогия может быть проведена с головой Гидры: на месте отрубленной у нее вырастали сразу две. Ученым это нравится. Мы при таком раскладе никогда не лишимся работы. И это радует.

Глава 13

Вселенная извергается

Физика создания – природа Большого взрыва…

Из небольшой искры возгорается величественное пламя.

Данте Алигьери

Это сигнал из первоздания.

Далеко позади что-то бормочут микроволны,

Испущенные первовеществом «илемом» в давнем прошлом

При трех градусах по Кельвину.

Они неразличимы в свете звезд.

С извинениями Генри Лонгфелло

Замечательный результат модели Вселенной Леметра: она создает возможность обернуться назад во времени – назад, еще назад и еще. Я заглянул в прошлое на 14 миллиардов лет.

Вы обращаетесь в прошлое все время. Когда смотрите на человека, стоящего от вас в полутора метрах, видите его не сиюминутного: вы видите, каким он был 5 миллиардных долей секунды назад (столько надо свету, чтобы пролететь это расстояние). Поднимая взор на Луну, видите ее тоже не той, какая она сейчас, а какой была 1,3 секунды назад. Когда щуритесь на Солнце, видите, в каком оно было состоянии 8,3 минуты назад. Если Солнце вдруг взорвалось 7 минут назад, то пока мы не имеем об этом ни малейшего представления.

Наиболее отдаленные и древние сигналы из космоса, которые удалось уловить, – космическое микроволновое (реликтовое) излучение. Это так называемые первичные сигналы. Мы верим, что они начали свое путешествие 14 миллиардов лет назад. И когда смотрим на них (с помощью микроволновой камеры), видим Вселенную того времени. Свет (микроволны – это низкочастотный свет) показывает, что существовало во Вселенной огромное время назад и на огромном удалении от нас. Этот свет путешествовал в космосе целых 14 миллиардов лет, чтобы достичь нас.

Чтобы заглянуть назад во время, мы должны исходить из того, что отдаленная от нас на расстояние 14 миллиардов световых лет Вселенная была очень похожа на то, какой была тогда и ближайшая к нам ее часть. Как я уже говорил, этот постулат имеет свое название: космологический принцип. Согласно ему, Вселенная по своей природе гомогенна (как гомогенизированное молоко, с ровным составом по всему объему без сколько-нибудь заметных сгустков) и изотропна (нет направлений с особыми физическими свойствами, в ней отсутствует движение больших масштабов; например, Вселенная не вращается). Если не хотите, чтобы окружающие поняли вашу приверженность такому радикальному представлению, называйте его принципом. Космологический принцип звучит угрожающе. Но если бы вы назвали его моделью булки с изюмом, он не был бы таким убедительным. Совершенный космологический принцип еще более угрожающ. Он был придуман как расширение «обычного», но оказался ложным. Далее я это объясню.

Имеется достаточно доказательств того, что космологический принцип, в общем, верен – во всяком случае, для наших целей. Когда мы изучаем Вселенную, особенно ближнюю ее часть, то видим, что она очень походит на все происходящее в непосредственной близости от нас. Мы находимся в галактике Млечный Путь (все звезды на небе, которые вы можете видеть невооруженным глазом, входят в сгусток из многих сотен миллиардов звезд). Однако, скорее всего, за ее пределами существует огромное множество подобных галактик, которые уходят все дальше и дальше в космическое пространство. Выберите небольшой участок неба и, используя лучшие телескопы, попытайтесь сосчитать видимые галактики и экстраполировать результаты на те районы Вселенной, которые пока остаются неизученными. Таким образом можно прийти к выводу, что видимых галактик свыше сотни миллиардов. В большинстве из них звезд меньше, чем в нашем Млечном Пути.

Хотя во Вселенной имеется много сгустков галактик, они распределены в космическом пространстве повсюду, причем с примерно одинаковой плотностью. Мы с командой университета Беркли в 1970-е годы измеряли микроволновое излучение, приходящее из космоса, и выяснили, что Вселенная демонстрирует однородность с погрешностью в 0,1 %, если рассматривать ее в очень больших масштабах. Недавние измерения спутника WMAP[128] (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) показали с точностью до 0,01 %, что Вселенная однородна. Однако можно предполагать, что с повышением точности измерений ее неоднородность все-таки удастся уловить.

Огненный шар Большого взрыва

Самым убедительным доказательством Большого взрыва стало обнаружение реликтового (остаточного) микроволнового излучения. Если бы оно не было найдено, Большой взрыв назвали бы большой фальшивкой и связанную с ним теорию признали бы глубоко ошибочной. Ученые из Принстонского университета Роберт Дикке[129] и Джеймс Пиблс[130] начали активно изучать концепцию Большого взрыва в начале 1960-х годов. При условии, что гипотеза верна, микроволны должны быть доступны для наблюдения. Если физикам удастся обнаружить их, это открытие станет одним из величайших в XX веке, сравнимым с чудом открытия Хабблом расширения Вселенной. Ученые собрали команду, в которую, кроме них, вошли Дэйв Уилкинсон и Питер Ролл, и приступили к конструированию устройства, способного найти нужное доказательство.

Гипотеза ученых была достаточно простой – насколько может быть простой космологическая идея, основанная на теории относительности. Это было развитие первоначального тезиса о Большом взрыве, сформулированного Георгием Гамовым и Ральфом Алфером[131]. В первичной Вселенной, когда космическое пространство было сжато в 30 триллионов раз плотнее, чем сейчас, наполнявшее его вещество (то, что мы видим сегодня в звездах и галактиках) было чрезвычайно плотным и горячим. Вся Вселенная была заполнена плазмой, такой же свирепой, как и та, что находится на поверхности Солнца. Она испускала очень интенсивный свет. Гамов и Алфер называли эту горячую протоплазму «илем».

Гамов утверждал, что на идише это слово означает «бульон». Однако я не нашел его в словаре идиша. Возможно, это какой-то диалект. Алфер писал, что это было давно забытое слово, которое можно было найти в толковом словаре Webster’s New International Dictionary и которое означает «первичную субстанцию, из которой были сформированы все вещи». Я не нашел «илем» в Webster’s Revised Unabridged Dictionary изданий 1828 и 1913 годов. Толковый словарь английского языка Oxford English Dictionary дает одну ссылку на поэму знаменитого средневекового английского философа и поэта Джона Гауэра Confession Amantis («Исповедь влюбленного»), III.91, в которой на средневековом английском сказано: «Всеобщая материя, которая называется “Илем”, весьма особенная».

Возможно, это Гамов и Алфер превратили слово «илем» в новый термин, но известно, что названия «Большой взрыв» они не придумывали. Его автором стал Фред Хойл, видный астроном, который не верил в эту теорию и обозвал ее так, чтобы посмеяться. Видимо, к разочарованию Хойла, Гамов быстро подхватил это название и применил. Еще одним примером чувства юмора Гамова стало то, что при написании в соавторстве с Алфером крупной статьи о Большом взрыве он включил в число ее авторов известного физика Ганса Бете, хотя последний в подготовке статьи не участвовал, не давал разрешения на использование своего имени и даже не подозревал, что он соавтор, пока статья не была опубликована. Позднее Гамов объяснял это шуткой – не смог избежать соблазна назвать авторами статьи Алфера, Бете и Гамова, поскольку эта комбинация так напоминала три первые буквы греческого алфавита: альфу, бету и гамму. Эту работу до сих пор иногда упоминают по буквам: «Статья αβγ».

Гамов был известным популяризатором науки. Оглядываясь назад по мере написания этой работы, я вдруг понял, что его книга «Один, два, три… бесконечность», которую я читал еще подростком, в определенной степени воодушевила меня на написание «Сейчас». Я читал также и книгу Фреда Хойла Frontiers of Astronomy[132] («Границы астрономии»), в которой автор отстаивал свою теорию «стабильного состояния», предложенную в качестве альтернативы Большому взрыву. Хойл утверждал, что расширение Вселенной – иллюзия, материя постоянно создается и разрушается, и Вселенная не меняется. (Будучи еще ребенком, я, конечно, не имел собственного мнения относительно того, кто из них прав.)

Хойл разработал концепцию, которую он называл совершенным (идеальным) космологическим принципом, утверждавшим, что Вселенная не только однородна в пространстве, но и не меняется с течением времени. Теперь в ретроспективе я нахожу особенно интересным то, что для обоснования своей теории Хойл привлек методологический принцип бритвы Оккама, согласно которому простейшая идея и есть самая правильная (или что из всех возможных объяснений наиболее вероятно самое простое). Хойл использовал бритву Оккама, чтобы доказать: его гипотеза лучше теории Большого взрыва. Один важный урок, который мы можем вынести из этой истории: будьте осторожнее с научными принципами. Часто это лишь предположения, не всегда основывающиеся на фактах. Другой урок состоит в том, что соблюдение бритвы Оккама не всегда ведет к истине.

Когда Алфер и Гамов впервые предложили теорию Большого взрыва, еще не было возможности ни подтвердить, ни опровергнуть ее. Но Дикке и его команда нашли решение этой проблемы. По их вычислениям, через полмиллиона лет после Большого взрыва наступил ключевой момент: расширяющееся космическое пространство охладилось до такой степени, что плазма стала прозрачной. Тогда исключительно интенсивный свет, подобный свету Солнца, смог свободно проникнуть в пространство и начал в нем распространяться. Именно этот свет от праисторического огненного шара и хотели обнаружить ученые из Принстона. Они ожидали, что свет может исходить с разных направлений, потому что Большой взрыв был полностью однородным – в соответствии с космологическим принципом. Свет должен был пройти дистанцию в 14 миллиардов световых лет, достигнув нас через 14 миллиардов лет.

Вокруг нашего нынешнего места во Вселенной 14 миллиардов лет назад вещество тоже было сильно разогретым и светящимся, и этот свет уходил от нас в окружающее космическое пространство. Как раз примерно сейчас наш свет достигает самой отдаленной материи, свет которой, наоборот, достигает нас.

В связи с быстрым расширением Вселенной яркое свечение, испущенное так давно, претерпело цветовое смещение. Его источник, та самая далекая горячая материя, стремительно удалялся от нас, а ее свет претерпел допплеровское смещение (по нему радары, работающие на основе эффекта Допплера[133], определяют скорость вашего движения). В нашей системе отсчета это излучение должно иметь не частоту видимого света, а частоту микроволн, подобных тем, что генерируются в вашей микроволновке, только гораздо более слабых.

Когда Дикке, Пиблс, Ролл и Уилкинсон готовили аппаратуру для поисков первичного сигнала, двое исследователей из научно-технической лаборатории корпорации Bell Telephone Арно Пензиас[134] и Роберт Уилсон[135] направили на космос огромную и очень чувствительную антенну, способную улавливать слабейшие микроволны. Их целью было не обнаружение следов Большого взрыва. Наоборот, они ожидали, что не уловят никакого сигнала. Этим ученые хотели доказать, что все поступающее в их приемник – всего лишь собственный электронный шум их аппаратуры. Цель специалистов Bell Telephone состояла в минимизации этого шума.

Пензиас и Уилсон достигли на своем устройстве минимального уровня шума, равнявшегося 3 градусам по Кельвину (они измеряли шум по повышению температуры), но не смогли избавиться от него окончательно. Независимо от того, в какую точку небосвода они направляли свою антенну, аппаратура все равно показывала шум, соответствующий 3 градусам по Кельвину. Исследователи пришли к заключению, что этот шум представляет собой некий сигнал, идущий из космоса. Однако они не имели ни малейшего представления о его природе, происхождении, причинах и т. д.

Действительно, казалось абсурдным, что до Земли доходит сигнал из космоса, однородный по всем направлениям. Во всяком случае, так казалось в то время. Нужно отдать должное Пензиасу и Уилсону: чтобы прийти к настолько невероятному заключению, они продемонстрировали непоколебимую уверенность в своей аппаратуре. Наверное, любые другие экспериментаторы, обнаружившие однородное и равнонаправленное излучение, должны были прийти к выводу, что оно исходит от их устройства.

Пока команда Принстонского университета готовила оборудование, Пиблс публично огласил ее предсказания. Одним из тех, кто слышал его лекцию, был Кен Тернер, который рассказал об этом Бернарду Бурке, а тот, в свою очередь, – Арно Пензиасу. Последний позвонил Дикке. Его команда находилась в комнате по время этого разговора. «Нас обошли», – сказал Дикке коллегам.

Когда Пензиас и Уилсон опубликовали статью с отчетом об эксперименте, они никак не упомянули вопрос о Большом взрыве. Их статья имела совершенно нейтральное название: A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s [megacycles per second] («Измерения дополнительной температуры антенны при 4080 мегациклах в секунду»). Исследователи просто написали: «Возможным толкованием для дополнительной температуры шума может быть объяснение, данное Дикке, Пиблсом, Роллом и Уилкинсоном в их совместной статье от 1965 года». Однако всего через год микроволновое излучение было признано определенным свидетельством того, что Вселенная произошла в результате взрыва. Таким образом, предвидение оправдалось. Были найдены следы Большого взрыва.

В связи с лекцией, прочитанной Пиблсом, и тем, что благодаря ей научная суть теории Большого взрыва достигла ушей Пензиаса, открытие микроволнового излучения было сделано Пензиасом и Уилсоном, а не принстонской командой, которая подтвердила его существование только спустя несколько месяцев. За свою работу Пензиас и Уилсон поделили Нобелевскую премию. Ученые из Принстона этой чести не удостоились, хотя снискали уважение коллег (в частности, мое). Награду следовало бы поделить между Пензиасом, Уилсоном, Дикке и Пиблсом, но статут Нобелевской премии запрещает ее присвоение более чем трем номинантам.

В поисках начала времени

В 1972 году, вскоре после защиты докторской диссертации в университете Беркли, касающейся физики элементарных частиц, я собирался продолжить занятия по этой теме и начать работу над независимым проектом, который соответствовал моим научным интересам, возможностям и надеждам. Это был первый проект, который я собирался выполнить без своего учителя Луиса Альвареса. Я прочел книгу Пиблса Physical Cosmology[136] и решил попытаться пронаблюдать за микроволновым излучением от Большого взрыва. Я хотел увидеть, какой была Вселенная 14 миллиардов лет назад, и проверить достоверность космологического принципа.

Этот проект в конечном счете материализовался в карту ранней Вселенной, показывающую, какой была она в своем «детском возрасте» – 0,00004 доли от возраста нынешнего. Для сравнения, когда вам 20 лет, то возраст 0,00004 от него составляет ваши первые шесть недель.

Пензиас и Уилсон установили с точностью до 10 %, что микроволны были однородны. Они не нашли анизотропии, то есть отличий в интенсивности излучения при замерах в различных направлениях. Дополнительные эксперименты повысили предел точности до 1 %. При повышении точности до 0,1 % анизотропия должна была обнаруживаться, хотя бы от движения Земли в космосе. Это примерно так же, как вода больше попадает вам на лицо, чем на затылок, если вы бежите под дождем. Точно так же и интенсивность микроволн должна быть больше во встречном по отношению к Земле направлении. А если достичь точности 0,01 %, мы могли бы увидеть остатки раннего сгустка, из которого образовались группы галактик.

В своей книге Пиблс назвал движение Земли по отношению к отдаленным частям Вселенной «дрейф по новому эфиру». Это не было измерение относительно абсолютного пространства: Эйнштейн показал, что это невозможно. Но есть только одна система отсчета, в которой материя Вселенной вокруг вас абсолютно симметрична и однородна, – система отсчета космологического принципа. Это «каноническая СО» теории Большого взрыва, система отсчета Леметра, в которой каждая галактика находится почти в состоянии покоя и Вселенная расширяется благодаря не движению галактик, а расширению пространства между ними.

Чтобы произвести такие измерения, я решил одновременно наблюдать за двумя частотами – той, которая характеризовала микроволновое излучение атмосферы Земли, и той, которая принадлежала сигналам из космоса. Эксперимент следовало проводить на большой высоте – возможно, на вершине горы, но лучше всего на воздушном шаре или самолете. Попробовав шары, я пришел к выводу, что они неудобны (например, часто терпят крушения). Я старался также упростить эксперимент и использовать обычные приборы, работающие при комнатной температуре, а не детекторы шумов, требующие сильного охлаждения. Использование антенн с относительно нормальной температурой предполагало возможность работы с приемной аппаратурой, обладающей лучшими характеристиками теплопроводности, что помогло бы исключить влияние самих приборов на выводы об анизотропии. Таким образом, впервые в жизни я изучал природу теплового потока[137].

К проекту присоединился Джордж Смут[138], физик из лаборатории космических исследований университета Беркли. Директор исследовательского центра Ames Национального аэрокосмического агентства Ганс Марк предложил использовать исследовательский самолет NASA U-2, и мы скомпоновали наши измерительные приборы, чтобы разместить в его кабине. Для улавливания микроволнового излучения я решил применить специальные рупоры. В них должен был использоваться оптический эффект аподизации (действия над оптической системой, приводящие к изменению распределения интенсивности в дифракционном изображении светящейся точки), чтобы ослабить сигналы, поступавшие под слишком широкими углами. Смут по публикациям подобрал подходящую схему, которая должна была сработать. Мы сконструировали несколько приборов с рупорами, и я испытал их в нашей лаборатории. Мне помогал первый докторант Марк Горенштейн, который в итоге защитил на проекте докторскую диссертацию.

Это была долгая и трудная работа, но после нескольких полетов мы выяснили, что излучение оказалось не полностью однородным. Самая яркая часть располагалась к югу от созвездия Льва, а самая темная – на противоположной стороне, в созвездии Рыб. В этих пределах яркость плавно менялась – пропорционально косинусу угла по отношению к созвездию Льва. Это явно подтверждало, что излучение существует из-за движения Земли по отношению к отдаленному веществу межзвездной среды Вселенной.

Из амплитуды этих «космических косинусов» я высчитал скорость Млечного Пути: она приближается к 1 600 000 км/ч. Красивое и впечатляющее число.

Если мы движемся со скоростью 1,6 млн км/ч, может ли наша Галактика находиться в состоянии покоя, как это следует из модели Леметра? А она и не в состоянии покоя. Модель Леметра допускала, что отдельные галактики могут совершать локальные перемещения, которые называются пекулярными движениями[139], например обращения вокруг ближайшей группы галактик. Или, как в случае Млечного Пути, притягиваемые силами гравитации близкой галактики Андромеды. Леметр просто полагал, что такое локальное движение мало по масштабам и осуществляется в случайных направлениях.

Мы – это квантовые флуктуации

Следующим шагом было перенесение проекта на спутник, чтобы полностью исключить любые помехи от микроволнового излучения в нашей атмосфере. На этом этапе Смут взял в руки бразды правления (и поиск финансирования) по нашему проекту, а я постепенно от него отошел. Было понятно, что ему моя помощь не нужна, а бюрократия NASA мне надоела. Это подтвердилось на практике: изменения в нашей измерительной аппаратуре были минимальными, зато сопротивление американского правительственного аппарата оказалось значительным. Джордж продолжил работу, но прошло еще долгих 14 лет (1978−1992), пока ему удалось вывести наши измерительные инструменты в космос и приступить к измерениям.

Для столь длительной затяжки с экспериментом не было никаких фундаментальных причин (вполне можно было уложиться для подготовки космической части проекта и в 4 года), однако работа с правительственной машиной была обставлена огромным количеством бюрократических препон, которые часто совсем не учитывали интересов науки. Каждые несколько лет NASA требовало от Смута модифицирования аппаратуры, чтобы она подходила к другому типу космического корабля. Сначала ее хотели отправить в космос на беспилотной ракете, затем NASA решило, что программу космических челноков необходимо «нагрузить» максимальным научным содержанием (ради оправдания роста расходов на нее!), что серьезно задержало проект. В дополнение ко всему, использование аппаратуры в пилотируемых космических станциях подразумевало строгое тестирование, чтобы она не создала какой-то угрозы жизни астронавтов. После этого NASA еще раз передумало и решило запустить аппаратуру на непилотируемом корабле, но ее предстояло переделать так, чтобы задействовать в совершенно другом эксперименте по измерению спектра излучения (то есть плотности его мощности на разных частотах).

Результаты, полученные Смутом и его новой командой в космосе, без помех атмосферы, были обеспечены в 30 раз большей чувствительностью измерений по сравнению с теми, которые мы выполняли с помощью U-2. Впервые была обнаружена естественная анизотропия, что немного не согласовывалось с космологическим принципом. Сгустки материи и возмущения, которые они нашли, были как раз тем, что считалось следами Большого взрыва. Эта теория и предполагала, что Вселенная началась как весьма однородная, но не до конца. Квантовые флуктуации, определяющиеся принципом неопределенности Гейзенберга, могли создать небольшие сгустки материи, которые под влиянием локальных сил гравитации разрастались, формируя структуры, а они в конечном счете превращались в огромные кластеры и галактики.

Это было очень любопытно и даже удивительно, что космология – царство сверхбольших размеров – стала более понятна через законы квантовой физики, прежде отслеживаемые только в микромире. Стивен Хокинг назвал это открытие «самым волнующим событием в физике», которое он испытывал за всю свою жизнь. Обнаруженное космическое микроволновое излучение, подтвердившее теорию Большого взрыва, стало самым глубоким источником информации о природе Вселенной за первые полмиллиона лет после взрыва. За это исследование Смут получил Нобелевскую премию.

Пока мы с вами подошли не к началу времени, а только к отметке в полмиллиона лет после него. Для человека «полмиллиона лет» звучит как невероятно огромное число, но если сравнить с 14 миллиардами лет, прошедшими с тех пор, получается, что нам удалось сфотографировать Вселенную такой, какой бывает ребенок нескольких часов от роду. И что важно, это была не теория, а данные реальных наблюдений.

Позднее результаты измерений были улучшены благодаря спутнику WMAP. Новые результаты позволили увидеть, что даже через полмиллиона лет Вселенная не была однородной: в ней начали образовываться сгустки материи.

Вселенная Тёрстона

Судьба удостоила меня чести быть двоюродным братом одного из величайших математиков современности – Билла Тёрстона[140]. Мы жили по соседству в кампусе университета Беркли и часто говорили о нашей научной карьере (еще докторантом он был убежден, что никогда не найдет для себя хорошую работу), о математике и физике. Билл очень увлекся моими рассказами о том, что мы знаем о Вселенной. Он интересовался, рассматривает ли кто-либо всерьез концепцию «мультисвязанной» Вселенной. Имел ли он в виду кротовые норы, посредством которых потенциально могли быть соединены разные части Вселенной? Нет, в голове у него была гораздо более простая и элегантная идея.

В конечном счете Билл стал знаменит благодаря достижениям в топологии и сложных геометрических многообразиях, которые выходят за пределы нашего воображения. Он говорил, что овладел навыком думать четырехмерно. Немногие верили, пока он не сформулировал множество блестящих теорем, которые открыл, по его словам, наблюдая за поверхностями в четырехмерном пространстве, существовавшем в его голове. Странно, но оказывается, что математические проблемы в трех и менее измерениях относительно просты. Пятимерные модели тоже решаемы. Самыми сложными считаются модели четырехмерные. За свои работы по четырехмерному многообразию Билл, еще не достигший 40 лет, получил премию Филдса, которая для математиков приравнивается к Нобелевской.

В топологии вы можете продвинуться в пространстве, а потом обнаружить, что вернулись к точке старта. Такой результат обычен для искривленного пространства (как поверхность Земли). Но он может иметь место и в неискривленном пространстве. Космологи называют его «плоским», хотя оно и существует в трех измерениях. Подразумевается, что в очень больших масштабах свет распространяется только по прямой, а не изогнутой линии; в таком пространстве действуют законы обычной эвклидовой геометрии; сумма всех углов треугольника при всех условиях составляет 180°.

Вопрос Билла был следующим: реальная Вселенная проста, или это мультисвязанная структура? Он хотел понять, могут ли измерения в космологии исключить последний вариант. Я не могу представить такие измерения. А могут ли измерения подтвердить его предположения? Над этим следует серьезно задуматься.

Думаю, что концепция Вселенной Тёрстона (как я ее называю) – замечательная новая идея. Эта Вселенная мультисвязана, например с помощью кротовых нор, однако в ней отсутствуют серьезные пространственные искажения. И эту модель можно проверить. Я не считаю ее даже приблизительно настолько же безумной, как 11-мерные пространственно-временные континуумы, применяемые в некоторых теориях струн.

Я несколько недель пытался доказать, что модель Тёрстона ошибочна. И старался отыскать аргументы ее правильности. Чтобы проверить свои предположения, попытался заглянуть в далекий космос и увидеть Млечный Путь, нашу Галактику. Возможно, одна из галактик на фотографии с телескопа «Хаббл» и есть мы! Но вижу я ее не такой, какая она сейчас, а такой, как она выглядела миллиард лет назад. Вот это да! Если размышления Билла верны, мы могли бы смотреть в прошлое, не исходя из представления об однородной Вселенной. Мы могли бы на самом деле узнать себя. За миллиард лет галактики и их группы значительно эволюционировали. Я упорно размышлял над способами проверить идею Билла, но в конце концов сдался. Это было в 1980-е. Сейчас научный инструментарий кардинально изменился. Когда-нибудь я вновь вернусь к гипотезе Тёрстона.

Этот пример иллюстрирует занятия экспериментаторов в свободное время. Мой наставник в физике, Луис Альварес, считал, что по пятницам после обеда ученые должны предаваться самым фантастическим размышлениям. Если вы специально не выделите такое время, никогда не сможете найти его. Это все равно что тренировка.

Глава 14

Конец времени

Теперь, когда мы знаем, что случилось за прошедшие 14 миллиардов лет, что можно сказать о грядущих 100 миллиардах?..

Узреть в песке бескрайнюю любовь

И небеса в цветке невинном,

В сиюминутном вечности порог

И мир в мгновении едином.

Уильям Блейк, «Прорицания невинности»

Еще в 1990-е годы, преподавая космологию, я сказал своему курсу, что не могу предсказать отдаленное будущее Вселенной. Но уверен, что касающееся ее важное открытие произойдет в ближайшее время. Через пять лет, утверждал тогда я, мы узнаем, бесконечна Вселенная или все-таки конечна, продолжится ее расширение всегда или в конечном счете этот процесс остановится и Вселенная вернется в прежнее состояние путем «Большого сжатия». И если такое сжатие произойдет, логично предположить, что это ознаменует конец пространства и времени, если только слово «конец» имеет какой-то смысл по отношению к тому, чего больше не существует.

Я также говорил: возможно, дело кончится тем, что Вселенная остановится на какой-то границе, разделяющей бесконечное и конечное (в смысле пространства и времени). Так что даже в том случае, если у нас будет точная картина Вселенной, это не даст ответа на вопрос, оказывается ли «всегда» таковым в действительности.

Я был абсолютно уверен в предчувствии скорого ответа. Дело в том, что я начал собственный эксперимент, призванный ответить на этот вопрос. И верил в своего бывшего студента Сола Перлмуттера[141], подхватившего из моих рук руководство этим проектом.

В поисках конца времени

Эксперимент с детектированием микроволнового излучения, о котором я рассказывал в предыдущей главе, был направлен на изучение природы Большого взрыва и структуры Вселенной при ее зарождении. Новый экспериментальный проект должен был определить будущее Вселенной. Путем к этому было выбрано гораздо более точное, чем ранее, определение в деталях поведения «расширения Хаббла».

Теория предсказывала, что расширение замедлится из-за самогравитации и взаимного притяжения галактик, расходящихся все дальше друг от друга. Это замедление можно было измерить, сравнивая расширение в ближайших галактиках с теми, которые от нас значительно удалены. Эти последние галактики покажут действие закона Хаббла таким, каким оно было миллиарды лет назад, и мы сможем увидеть, насколько замедлилось с тех пор расширение. Скорости галактик мы могли измерить с помощью того же эффекта, которым пользуется полиция при замере скорости машин: допплеровского сдвига.

Трудность заключалась в точном определении расстояния до галактик. Я решил, что так называемые сверхновые могут в этом помочь. Если бы мы смогли обнаружить замедление Вселенной, то сумели бы рассчитать, будет ли ее расширение вечным. Расчеты сводились практически к определению скоростей разбегания галактик. Будут ли галактики в расширяющейся Вселенной разбегаться или упадут обратно в «Большое сжатие»?

Параметр замедления Вселенной космологи обозначили последней буквой греческого алфавита Ω (омега). Мы собирались дать параметру определение, поэтому весь эксперимент я назвал «Проект “Омега”». Новый измеритель мог рассказать о возможном конце времени.

«Проект “Омега”» был задуман после того, как в 1978 году я услышал лекцию Роберта Вагонера в Стэнфордском университете. В ней он указал, что собственная яркость отдаленных сверхновых типа II[142] может быть определена скоростью расширения их оболочки и временем такого расширения. Скорость, помноженная на время, даст нам размер звезды. Если бы мы смогли найти отдаленные сверхновые, определить их яркость и измерить скорость на основании допплеровского смещения галактик, в которые они входят, то после этого смогли бы использовать их как «калибровочные свечи». Наблюдаемая яркость в сравнении с их собственной яркостью позволила бы определить расстояние до них.

Требовалось получить как можно больше информации от большого количества отдаленных сверхновых. Однако вспышка сверхновых – довольно редкое явление, случающееся раз в несколько сотен лет. И чтобы использовать такую информацию, вспышку нужно зафиксировать в первые несколько дней после возникновения. Придется наблюдать за сотнями галактик, возвращаясь к этому занятию каждые несколько ночей. Только тогда можно уловить сверхновую в критической фазе расширения.

Когда я рассказал учителю и научному руководителю моей докторской диссертации Луису Альваресу о лекции Вагонера, он припомнил, что профессор Высшей технической школы штата Нью-Мексико Стерлинг Колгейт как раз начал проект по автоматическому поиску сверхновых. Я встретился с Колгейтом и выяснил, что он отказался от проекта как от слишком сложного. Однако посоветовал мне попробовать, снабдив массой рекомендаций и наставлений по тем проблемам, которые ему в конечном счете не удалось решить.

Требовались телескоп и очень мощный компьютер для управления им. К счастью, мое открытие косинусной зависимости интенсивности микроволнового излучения в космосе, подтверждающей анизотропию Вселенной, было отмечено наградой – премией Национального научного фонда Алана Уотермана[143]: $150 000 «не связанных» денег на исследования, которые я волен был выбирать сам. Каким замечательным делом оказался этот грант! Можно было начать проект со сверхновыми без необходимости доказывать какому-то жюри, что ты способен его осуществить. Премия Уотермана сделала мой проект возможным. Я использовал большую часть средств на приобретение необходимого компьютера (в те дни мощные машины были очень дороги) и на принятие в помощники недавнего выпускника университета Карла Пеннипакера.

Проект был пугающе сложным, и мне важна была поддержка. Сначала она была, но потом проект дважды закрывался администрацией (один раз директором по науке лаборатории Лоуренса университета в Беркли, а затем директором центра астрофизики частиц этого же университета). Но я все равно умудрялся каким-то образом выбивать финансирование и не останавливать эксперимент. Хорошо, что в то время я уже был на профессорском контракте: текущая работа (и зарплата) не зависели от следования приказам боссов. Мне показалось, что снова бюрократические сложности с проектом превзошли сложности научные, как это было с исследованием Джорджа Смута в NASA.

В 1986 году, через восемь лет после начала изучения сверхновых, к нам присоединился мой четвертый докторант, Сол Перлмуттер. Теперь я мог официально привлечь его к работе как взращенного мною доктора наук. Он быстро продемонстрировал удивительные лидерские качества. Сол полностью переписал программу для компьютера. Осматривая сотни галактик снова и снова, мы начали находить сверхновые. К 1992 году сообщили об обнаружении 20 таких звезд, включая открытие самой дальней на то время.

Большинство из найденных нами сверхновых по космологическим меркам находились относительно близко. Сол и Карл горели желанием совершить прорыв в науке и приступить к поискам очень далеких звезд такого типа. Для этого требовались более мощные телескопы. В то же время, по их мнению, это дарило надежду на то, что мы наконец обнаружим ожидаемое замедление расширения. Я сомневался, но доверился коллегам и одобрил новое направление. Сол разработал способ передачи информации по интернету, который в то время был довольно медленным. Он воспользовался математикой фракталов[144]. Насколько я знаю, он был первым человеком, кто применил этот продвинутый метод в научных измерениях. Сегодня фракталы применяются очень широко.

Затем Сол решил еще одну ключевую проблему, которая ставила меня в тупик. Он разработал схему обнаружения многих суперновых в одну ночь накануне новой (темной) луны, а также точное расписание наблюдения за небом с использованием мощных телескопов (таких как астрономические обсерватории в космосе) в следующую темную ночь. По моему мнению, этот с виду достаточно простой шаг вперед сделал наш проект полностью работающим.

«Неэкспериментаторы» могут удивиться, что я начал проект, еще не совсем понимая, как решать проблемы последующих измерений. Однако я научился у Луиса Альвареса, что такая смелость часто необходима – или вы никогда не справитесь с большой задачей. Важно быть уверенным, что вы сами (или члены вашей команды) при необходимости найдете нужное решение. Конечно, если бы я не располагал средствами от премии Уотермана, не решился бы на такой авантюризм. Наши судьи заранее требовали бы ответы на каждый вопрос и отвергали все запросы на финансирование, пока мы не представили бы удовлетворяющих их ответов.

Сол огласил свое решение на одном из совещаний с внешними судьями, которые оценивали нашу работу, чтобы вынести рекомендации по ее дополнительному финансированию. Эта была группа экспертов, ранее рекомендовавшая закрыть проект по сверхновым. После доклада Сола членам оценочной комиссии стало ясно, что проект может быть успешным. Один из членов комиссии, Роберт Киршнер, нашел нашу идею столь убедительной, что даже предложил создать в университете независимую исследовательскую группу для соревнования за научный результат.

К тому времени Сол стал подлинным лидером. И в 1992 году, через 15 лет после начала работы и через 6 – после прихода Сола, я попросил его взять руководство проектом на себя. Я постепенно отошел от него, сосредоточившись на других исследованиях. За пять следующих лет Сол настолько продвинулся в изучении сверхновых и оказался так близко к ответу на изначальный вопрос, что я убедил своих студентов в Беркли: скоро мы узнаем, будет ли время течь всегда или закончится вместе с «Большим сжатием».

Ускоряющаяся Вселенная и темная энергия

В 1999 году Сол и его группа, которая расширилась и стала интернациональной, совершила удивительное, невероятное открытие. Их экспериментальные проверки закона Хаббла, выполненные с большей точностью, чем когда-либо ранее, и направленные на очень отдаленные галактики, обнаружили отход от этого закона. Вселенная не замедлялась под взаимным воздействием сил гравитации, как прежде считалось. Существовала какая-то гораздо более мощная сила, которая заставляла ее, наоборот, ускоряться. Это было неожиданное и даже пугающее открытие. Когда Сол показал результаты, я был настроен весьма скептически. Перлмуттер и его команда приложили огромные усилия, чтобы найти какие-то моменты, которые могли привести их к ошибочным выводам. Но не нашли. Опровергать же собственную работу они не могли. Исследователи обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется!

Почти одновременно с этим группа университета Беркли, которую помог создать Киршнер, объявила о получении такого же результата. Несколько лет спустя Сол Перлмуттер разделил Нобелевскую премию за это открытие с Брайаном Шмидтом и Адамом Риссом из конкурирующей команды.

С подтверждением ускорения Вселенной был решен вопрос с «Большим сжатием». Его не случится. Пространство будет существовать вечно, и время тоже… конечно, если только нет другого явления, которое может быть открыто и которое еще не продемонстрировало своего действия, но способно в конечном счете повернуть эволюцию вспять. Ускорение Вселенной, открытое Солом и его командой, может стать экспериментальным доказательством теории четырехмерного Большого взрыва, о которой мы поговорим далее и которая служит основой моего объяснения сейчас.

Я не ожидал, что Вселенная ускоряется. Никто не ожидал. Но я правильно предсказал студентам, что очень скоро мы узнаем, будет ли Вселенная расширяться бесконечно. А когда Сол Перлмуттер объявил о результатах эксперимента, и еще до того, как об этом сообщили газеты, я смог сообщить своему курсу, что ответ на поставленный вопрос получен.

Самая большая ошибка Эйнштейна

Ускорение Вселенной хорошо согласовывается с общей теорией относительности Эйнштейна. Вспомните – до открытия Хабблом расширения Вселенной Эйнштейн полагал, что она статична, а галактики всегда находятся на своих местах. Чтобы устранить фактор их взаимного гравитационного притяжения, Эйнштейн даже ввел космологическую постоянную, отталкивающую силу, объясняющую статичность Вселенной (это было до открытия Хаббла). Хаббл обозначил эту постоянную значком Λ, заглавной буквой греческого алфавита лямбда. Эта постоянная обозначала своего рода антигравитацию, которая, однако, происходила от пустого пространства, а не от массы. Я представляю ее себе как пространство, отталкивающее самое себя.

Когда Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется, постоянная лямбда оказалась ненужной, и научное сообщество стало считать ее нулем. Как я отметил в главе 12, согласно утверждению Георгия Гамова, Эйнштейн считал введение лямбды самой большой ошибкой своей жизни. Если бы он не добавил ее в свои уравнения, мог предсказать расширение Вселенной. И все-таки самой большой ошибкой Эйнштейна было то, что он назвал ошибкой свою космологическую постоянную.

Удобным способом включения космологической постоянной Λ в уравнения общей теории относительности можно назвать ее перенос (математически) в энергетическую часть уравнения и объединение с тензором Т, обозначающим плотность энергии. Это равноценно тому, чтобы представлять лямбду в качестве некоей величины энергии. И в самом деле, такой подход уже становится вполне привычным, а присутствие лямбда-члена объясняется тем, что пустое пространство заполнено темной энергией; его же плотность и давление зависят от значения Λ. Когда космологическая постоянная включается в уравнения Эйнштейна таким образом, уравнения не меняются: лямбда-члена в них как бы нет, но энергия и плотность пустого пространства больше не считаются нулем.

Темная энергия, заполняющая пустое пространство, снова звучит как напоминание об эфире… но так оно и есть. В представлениях современной космологии пустое пространство отнюдь не пустое. В дополнение к темной энергии оно, как полагают физики, включает в себя поля Хиггса[145], что заставляет частицы казаться обладающими большей массой, чем без этих полей. А Поль Дирак высказал даже идею, что пустое пространство заполнено бесконечным морем электронов с отрицательной энергией, – самое ошеломляющее предположение, которое когда-либо исходило от видного физика. (Подробнее об этом в главе 20.) Вакуум совсем не пустой.

Одна из причин, по которой теоретики любят использовать лямбда-член в качестве некоего показателя энергии, заключается в том, что они ждали его появления, руководствуясь соображениями квантовой физики. Они предполагали, что «квантовые флуктуации вакуума» будут переносить темную энергию и приведут к отрицательному давлению. Почему тогда не признать, что это предугадывание темной энергии? Дело в том, что они получили совершенно неправильные цифры. Если, согласно имеющимся научным данным, темная энергия, которая ускоряет расширение Вселенной, имеет плотность массы 10−29 г/см³, то это же значение, напророченное квантовой теорией, выражается величиной 10^91. Теория ошиблась в 10^120 раз. Это расхождение было названо «худшим теоретическим предсказанием в истории физики». Прорицание квантовой физики относительно темной энергии ошибочно на сотню квинтиллионов гуголов.

Могут ли квантовые флуктуации быть источником темной энергии? Вероятно. Некоторые теоретики пытаются внести расчетные поправки в свои теории, но создается впечатление, что нет пути к изменению величины во столько раз. Предполагаю, что правильное значение квантовых флуктуаций в конечном счете составит нуль (если наша квантовая теория верна) и что темная энергия в итоге окажется чем-то совершенно другим, аналогичным полям Хиггса (о них поговорим в главе 15). Но это только мое предположение.

Инфляционная модель Вселенной

Быстрое расширение Вселенной со скоростями, превышающими скорость света, составляет основную часть теории инфляции, предложенной физиками Аланом Гутом и Андреем Линде[146] и получившей дальнейшую разработку в исследованиях Андреаса Альбрехта, Пауля Штейнхардта и других. Они занимались вопросом об удивительной однородности Вселенной. Если мы посмотрим на расстояние в 14 миллиардов световых лет, увидим то пространство Вселенной, которое излучало сигналы 14 миллиардов лет назад. А если посмотрим в противоположном направлении, также увидим исходящее оттуда излучение, которое пропутешествовало по Вселенной те же 14 миллиардов лет.

Получается, две эти области Вселенной находятся друг от друга на расстоянии 28 миллиардов световых лет. Так что для сигнала было недостаточно времени, чтобы пройти расстояние от одного района до другого. Даже когда в начальный момент Большого взрыва эти области находились сравнительно недалеко друг от друга, они удалялись друг от друга слишком быстро, чтобы между ними мог возникнуть какой-то контакт. Каким же тогда образом могли они «знать», как достичь одной и той же плотности, температуры и интенсивности излучения? Как они могли стать такими похожими, если у них не было времени выровнять свои параметры? Тем не менее сигналы, которые исходят из точек Вселенной, разделенных 28 миллиардами световых лет, наблюдаются как исключительно похожие. Как это могло произойти?

Гут и Линде показали возможность, что такие удаленные точки Вселенной были расположены очень близко друг к другу в момент достаточно медленного расширения Вселенной, позволяющего им взаимодействовать. Они были довольно близки, чтобы достичь схожей температуры и плотности. Затем, согласно теории, природа вакуума очень резко изменилась, и эти точки Вселенной были разделены со скоростями, невероятно более высокими, чем скорость света. При этом они не двигались. Разделение произошло в связи с очень быстрым возникновением между ними пространства. Именно это увеличение пространства ученые назвали инфляцией. Здесь срабатывала математика. Правда, ученым пришлось постулировать новый вид поля, которое вызвало увеличение пространства. То поле, которое менялось с расширением и в конце концов остановилось в том состоянии, в котором прекратилась инфляция Вселенной. Но существование такого поля легко согласовывалось с общей теорией относительности.

Многие годы инфляционная теория была популярной прежде всего потому, что предлагала единственное известное решение загадки однородности Вселенной. Ответ этой теории: причиной однородности считается то, что когда-то все во Вселенной находилось в очень тесном контакте. Сейчас появились подтверждения других предсказаний инфляционной теории; в частности, были спрогнозированы структуры волн, которые обнаружились в микроволновом излучении. Идея инфляционного развития Вселенной стала еще более привлекательной, когда было обнаружено ускорение ее расширения.

Глава 15

Выбрасываем энтропию под автобус

Признаюсь, что сомневаюсь в разъяснениях Эддингтона по поводу стрелы времени

Общий объем неупорядоченности во Вселенной, который измеряется показателем, называемым физиками энтропией, постоянно возрастает по мере нашего продвижения из прошлого в будущее. С другой стороны, общий порядок во Вселенной, который определяется сложностью и постоянством структур, тоже постоянно возрастает по мере того, как мы движемся из прошлого в будущее.

Фримен Дайсон[147]

Ощущаете ли вы сейчас, что загадка стрелы времени наконец-то разрешена? Убедили ли вас аргументы Эддингтона и мои попытки повторить их? Или, как и многие физики, которых я об этом спрашивал, чувствуете, что не совсем уверены в них?

Должен признаться: думаю, что объяснение стрелы времени энтропией глубоко ошибочно. Написание нескольких последних глав – начиная с главы 11 – было для меня трудным делом, но я хотел дать Эддингтону все возможные шансы, прежде чем представлять свои возражения.

Существуют ли альтернативные объяснения по поводу стрелы времени? Да, существуют, причем несколько, включая возможность того, что квантовая физика, гораздо более таинственная, чем теория относительности, определяет направление стрелы. Есть иное объяснение – что направление стрелы определяется созданием нового времени тем же самым Большим взрывом, в результате которого постоянно возникает новое пространство. Не могу доказать, какое из этих объяснений истинно, но убежден, что объяснения Эддингтона ошибочны.

Есть ли способы проверить, какая из этих теорий правильная?

Успешные испытания теории

Посмотрите на Эйнштейна, чтобы понять стандарт качества теории. Создав первый вариант теории относительности, впоследствии получивший название специальной теории относительности (СТО), он сделал определенные предсказания по поводу поведения времени и длины вещей, находящихся в движении. Десять лет спустя он спрогнозировал изменение этого поведения в гравитационных полях. В 1919 году Эддингтон экспериментально подтвердил предположения Эйнштейна относительно отклонения солнечного света. Первое обнаружение эквивалентности массы-энергии было описано Георгием Гамовым в научном докладе 1930 года, где он указал, что «дефект массы» ядра связан с отрицательной энергией ядерных сил. Руководствуясь теорией Эйнштейна, Дирак предрек существование антивещества (позитрона), которое в 1932 году было обнаружено Карлом Андерсоном. В 1938 году Герберт Ивес и Джордж Стилвел открыли и подтвердили реальность уравнений Эйнштейна, касающихся замедления времени. Эквивалентность массы-энергии наблюдалась в 1940-х годах, когда рассматривалась взаимная аннигиляция электрона и позитрона. Все эффекты теории относительности – замедление времени, сжатие длины движущихся предметов и эквивалентность массы-энергии – сегодня повседневно наблюдаются в современных физических лабораториях.

Эйнштейн очень щепетильно относился к опровержениям своих теорий. В 1945 году между физиками возникли серьезные противоречия в определении возраста Земли (по радиоактивным скальным остаткам) и Вселенной (по расширению Хаббла). Когда Эйнштейн обновлял в тот год свою книгу The Meaning of Relativity («Основы теории относительности»), он писал:

Возраст Вселенной – в том смысле, как мы его здесь понимаем, конечно, – должен превышать возраст куска радиоактивного материала, который мы нашли в земной коре. Однако, поскольку возраст этих минеральных остатков точно и надежно определен, космологическая теория будет опровергнута, если начнет противоречить этим результатам. В этом случае я не вижу никакого разумного решения проблемы.

Эйнштейну не пришлось дезавуировать общую теорию относительности. Ошибочным оказался эксперимент, а не теория. Хаббл не признался, что перепутал две очень маленькие звезды, проводя свои измерения. После того как эта ошибка была вскрыта и выполнены новые вычисления, исправленный возраст Вселенной оказался больше возраста Земли, как и должно было быть. Но очень интересно читать через столько лет, что теория может оказаться неправильной, если числовые результаты эксперимента не изменятся.

В следующем абзаце я изложу предсказания, сделанные Эддингтоном в контексте его теории 1928 года относительно стрелы времени, включая все прогнозы, которые были сделаны позже другими теоретиками, трудившимися над этой теорией.

[Этот абзац специально оставлен пустым.]

Пустой абзац представляет пророчества Эддингтона и других физиков, которые связывают стрелу времени с энтропией. Просто таких предсказаний нет. Современные ученые, которые разделяют теорию энтропии с ее стрелой времени, признают существование этой слабости в теории. Иногда они выказывают оптимизм по поводу того, что такие предсказания лежат буквально за ближайшим углом. Однако ко времени публикации этой книги – к 2016 году – минуло 88 лет с той поры, как Эддингтон предложил свою теорию в качестве объяснения стрелы времени. Но до сих пор не было ни одной попытки ее экспериментально подтвердить – ни законченной, ни хотя бы предложенной.

Или такие попытки были? Если бы были обнаружены какие-то связанные с теорией эффекты, они были бы широко обнародованы в доказательство правоты теории. Однако, хотя таких эффектов нет, этот отрицательный результат не рассматривается как аргумент против теории. Это потому, что теория Эддингтона не делает никаких предсказаний, а только объясняет явление. Теорию, которая ничего не предсказывает, невозможно опровергнуть. Я предлагаю, чтобы в отношении тех теорий, которые могут быть проверены, но не могут быть опровергнуты (фальсифицированы), использовался термин псевдотеории.

Если время связано с энтропией, можно ли увидеть какие-то проявления этой связи? В теории относительности их полно. Местная гравитация влияет на скорость хода часов. Разве локальная энтропия не должна проявляться так же? Когда ночью энтропия земной поверхности снижается, не следует ли ожидать изменений в скорости течения времени, например его локального замедления? Нет, этого не происходит. Почему? Если бы такое замедление удалось обнаружить, это, безусловно, рассматривалось бы как триумф теории Эддингтона, хотя он никогда не предсказывал таких явлений.

Согласно стандартной модели, увеличение энтропии во Вселенной определяет направление стрелы времени. Так давайте взглянем на энтропию Вселенной. Где же она?

Энтропия Вселенной

Энтропия, какой ее знал Эддингтон, касалась Земли, Солнца, Солнечной системы, других звезд, туманностей, света звезд и других объектов, которые могут быть обнаружены. Со времен Эддингтона мы выяснили, что она составляет лишь микроскопическую часть общей энтропии Вселенной.

Первое свидетельство существования великой энтропии, которой никто не ожидал, появилось с открытием Пензиасом и Уилсоном космического микроволнового излучения. Энтропия этого излучения относительно мала в расчете на кубический метр, но оно заполняет все космическое пространство, в отличие от обычной материи. В результате, по нашим оценкам, энтропия этих микроволн в 10 миллионов раз больше, чем энтропия всех звезд и планет, вместе взятых.

Как меняется со временем необъятная энтропия космических микроволн? Поразительно, но никак. По мере расширения Вселенной микроволны заполняют пространство, но теряют энергию. Общий результат в том, что энтропия остается постоянной. Но время движется вперед. Следует ли отсутствие изменения энтропии принимать за аргумент, опровергающий направление стрелы?

Физики уверены, что Вселенная располагает тремя большими вместилищами энтропии, но ни одно из них до сих пор не обнаружено и его существование не подтверждено. Все они, по существу, лишь теоретические построения. Первое такое вместилище состоит из нейтрино, оставшихся после Большого взрыва. Их так же много, как и фотонов в микроволновом излучении, но они взаимодействуют с веществом еще меньше фотонов. Таких нейтрино насчитывается три вида (электронное, мюонное и тау-нейтрино), и поскольку они не взаимодействуют, их энтропия постоянна и сравнима с энтропией фотонов в микроволнах.

Второй большой источник скрытой энтропии находится в сверхмассивных черных дырах. Энтропия черной дыры была впервые вычислена Яаковом Бекенштейном[148] и Стивеном Хокингом. Большинство теоретиков согласились с их результатами, но экспериментальных подтверждений пока нет. Поскольку работа этих ученых находится на самом краю наших знаний об относительности и квантовой физике, чрезвычайно важно все-таки узнать, окажется она правильной или ошибочной.

Давайте предположим, что рассчитанная по формуле Бекенштейна-Хокинга энтропия сверхмассивных черных дыр полностью подавляет энтропию материи, микроволн и нейтрино во Вселенной. Значит, направление стрелы времени на Земле определяет черная дыра, расположенная в центре нашего Млечного Пути?

Вот вам важный факт об энтропии. Номинально черная дыра находится от нас на расстоянии 14 миллиардов световых лет. Но энтропия тоже глубоко, рядом с поверхностью черной дыры. Если предположить, что она только что сформировалась, то энтропия находится от нас на расстоянии бесконечности. В реальности она будет от нас просто очень далеко, на расстоянии количества лет с начала своего формирования, помноженного на скорость света. В любом случае, эта энтропия в миллиардах световых лет от нас. Как она может на таком расстоянии оказать влияние на наше время?

Может быть и еще один, более огромный источник энтропии. Он расположен в том, что физики называют горизонтом событий, на расстоянии 14 миллиардов световых лет. Эта энтропия быстро увеличивается по мере расширения Вселенной. Но она «убегает» от нас со скоростью света. И она очень далеко.

Помните, что связь между увеличением энтропии и течением времени не установлена. Это всего лишь размышления, основанные на определенной корреляции параметров – то есть на том факте, что оба процесса развиваются. Такой теории нет, в том смысле, как, например, существует общая теория относительности. Может быть, когда-нибудь подобные теории и появятся. Я этого не исключаю, однако с трудом верится, что они покажут, как отдаленные энтропии определяют стрелу времени, или свяжут нас с не изменяющейся (и почти внутренне не взаимодействующей) энтропией микроволнового излучения.

Мы знаем, что корреляция параметров еще не подразумевает наличия причинно-следственной связи между ними. Есть даже латинское выражение, обозначающее эту ошибку в мышлении: cum hoc ergo propter hoc. Буквально значит: «с этим – значит, по причине этого». Это выражение относится к тому ошибочному представлению, что если два явления коррелируют между собой, значит, они причинно связаны, то есть одно оказывается причиной появления второго. Если применить такие логические построения, можно прийти к заключению, например, что сон в обуви вызывает похмелье, рост продаж мороженого ведет к большему количеству утопающих или еще к каким-то столь же абсурдным выводам. Однако именно физики часто не признают, что попадают в эту логическую ловушку, утверждая, что стрела времени определяется энтропией.

Видный философ науки Карл Поппер[149] утверждал: чтобы какая-то теория считалась научной, должна существовать возможность ее опровержения. Объяснение стрелы времени теорией энтропии как раз этому условию не удовлетворяет.

Теории, которые нельзя опровергнуть, включают в себя спиритизм, логические умозаключения, астрологию и связь между стрелой времени и энтропией. Возможно, вы вспомните и о других подобных. Из упомянутых астрология ближе всего к тому, чтобы быть опровергаемой. Описание тонкого эксперимента Шона Карлсона (в котором я выступал как научный консультант и в ходе которого для приобретения астрологических карт использовалась часть моей премии Уотермана) было опубликовано в престижном журнале Nature[150]. Шон проверял фундаментальный постулат астрологии – о том, что точное время рождения человека коррелирует с его личными качествами. Он использовал двойной слепой метод, который приветствовался (до тех пор, пока не появились результаты) самыми уважаемыми астрологами мира. (Да, существует множество таких людей, и большинство из них имеют докторские степени по психологии.) После того как полученные Карлсоном результаты опровергли этот базовый постулат астрологии, ее адепты испытали шок и разочарование (все-таки они относились к своей работе серьезно), но никто от профессии не отказался. Так что с точки зрения ученых астрология может быть опровергнута – но ее мастера проявляют стойкость в отношении своего дискредитированного дела.

Согласно греческому мифу, Антей был богатырем, сохранявшим свою огромную силу только до тех пор, пока какой-нибудь частью тела касался земли. Думаю, это своеобразная метафора по отношению к современному «интеллигентному» фермеру: если он не будет каждый день пачкать руки землей, не получит никакого урожая. Любимым делом Антея было зазывать прохожих на борьбу с собой. Он всегда побеждал соперников, часто убивал и использовал их черепа, чтобы строить храм. В конце концов он вступил в схватку с Геркулесом. Тот уже был близок к поражению, когда вдруг вспомнил, что для сохранения силы Антею необходим контакт с землей. Геркулес поднял Антея над землей и раздавил его руками.

Теоретическая физика должна иметь контакт с землей, настаивая на необходимости проверяемых и опровергаемых экспериментальных результатов. Если бы Эддингтон обнаружил другую величину отклонения луча света возле Солнца во время его затмения, это могло бы показать, что Эйнштейн ошибался. Если бы разогнанные до околосветовых скоростей частицы не имели бы продолжительное время жизни, это опять-таки говорило бы, что Эйнштейн в своей теории был неправ. То же самое произошло бы, если бы для глобальной системы позиционирования (GPS) не пришлось вводить корректировку на замедление времени, которое вызывается одновременно и земной гравитацией, и скоростью спутников.

Да, эйнштейновская теория броуновского движения вскоре после ее опубликования была признана ошибочной. Серия экспериментов опровергла ее. Именно в тот период совершил самоубийство Людвиг Больцман, отец до сих пор оспариваемой статистической физики. Однако дальнейшие экспериментальные исследования показали, что в первых опытах имелись ошибки. Предсказания Эйнштейна подтвердились. На это ушло четыре года.

Частица Бога ломает стрелу энтропии

Позвольте сформулировать еще одно предсказание, которое не было сделано Эддингтоном, но явно следует из его теории. Согласно общепринятой космологической модели, в ранней Вселенной у частиц не было массы. Электроны, кварки и все другие частицы были такими же безмассовыми, как фотоны. Это удивительное состояние Вселенной стало главным ключом ее развития и того, что великие теории объединения обрели математический смысл. Позже, по мере эволюции Вселенной, частицы (по общепризнанной теории) «приобрели массу» через так называемый механизм Хиггса.

Если говорить проще, механизм Хиггса подразумевает, что вся Вселенная внезапно заполнилась полями Хиггса. Это произошло в процессе спонтанного нарушения симметрии. До этого не имеющие массы частицы, которые двигались сквозь эти поля, вели себя так, как будто приобретали массу. Здесь масса – это иллюзия, хотя она обладает всеми свойствами, которых от нее можно ожидать согласно теории относительности.

Эта теория постулировала, что какой-то «фрагмент» поля Хиггса мог создаться после высокоэнергетического столкновения. Такое предсказание было экспериментально подтверждено 4 июля 2012 года, когда ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) – большой исследовательский центр под Женевой – сообщил об открытии новой частицы (бозона Хиггса).

Леон Ледерман[151], мой учитель в Колумбийском университете, получивший Нобелевскую премию за открытие мюонного нейтрино, написал о Хиггсе книгу под названием The God Particle («Частица Бога»). Ледерман утверждает, что идея названия принадлежала редактору, и возможно, это наименование увеличило продажи книги в десять, а то и более раз. Причиной появления словосочетания «частица Бога» стало то, что поля Хиггса придали частицам массу, а без этого никогда не возникло бы атомов, молекул, планет или звезд. Возможно, это правильно, хотя по той же логической схеме мы могли бы и электрон назвать частицей Бога, потому что без электронов мы точно так же не могли бы существовать; или фотон; или вообще любую другую частицу из списка элементарных. Между физиками существует консенсус: они решили, что называть какую-то частицу «божьей» – последнее дело, даже более последнее, чем именовать два кварка «истинным» и «прелестным»[152] (что некоторые и попытались сделать). Тем не менее такое название привлекло внимание публики, и я даже использовал его в обозначении раздела.

Теория Хиггса была восторженно признана научным сообществом, когда в 2012 году Питер Хиггс и Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию по физике за предсказание бозона Хиггса. Конечно, для Хиггса сама награда стала делом гораздо менее значительным, чем тот факт, что целый важный раздел физики назвали его именем. Энглер вынужден был довольствоваться Нобелевской премией.

Предсказание Хиггса оказалось еще одним ударом по утверждению Эддингтона о наличии причинно-следственной связи между энтропией и временем. И вот почему. В первоначальном Большом взрыве, еще до появления полей Хиггса, все частицы были безмассовыми. Есть все основания полагать, что в этот период, даже после начала расширения Вселенной, безмассовые частицы участвовали в термальном распределении энергии, то есть получаемом при максимальной энтропии.

Однако с конца 1970-х годов уже было известно, что энтропия совокупности безмассовых частиц не меняется по мере расширения Вселенной. Ключевым моментом стало то, что в ранней Вселенной энтропия всего вещества содержалась в безмассовых разогретых частицах, так что она не увеличивалась. Если бы стрела времени действительно направлялась ростом энтропии, не было бы никакой стрелы. Время должно было остановиться. Мы никогда не покинули бы ту эру. С остановившимся временем и расширение Вселенной должно было прекратиться (или, во всяком случае, не продолжаться). В отсутствие времени вы не были бы сейчас здесь и не читали бы эту книгу.

Но время не остановилось. Вселенная расширялась, «илем» безмассовых частиц остывал, в результате спонтанного нарушения симметрии возникли поля Хиггса, и частицы стали вести себя так, будто приобрели массу. И вот мы оказались там, где мы есть.

Физики много размышляли над смыслом времени в самой начальной стадии Вселенной (первая миллионная доля секунды). Поскольку пространство было таким однообразно горячим, они опасались, что нельзя найти ничего, служащего в тот период часами. Из-за высокой энергии частиц и большой плотности вещества даже радиоактивный распад пошел бы вспять. Каким же тогда образом время вообще можно определить?

В основе этой головоломки – логическая ошибка, которая кроется в утверждении, что время движется благодаря энтропии. Все как раз наоборот.

Как же Эддингтону удалось нас обмануть?

Почему утверждения Эддингтона относительно энтропии оказались такими убедительными? Мне нравится случайное объяснение Э. Ф. Бозмана во введении к книге Эддингтона 1928 года издания. Бозман говорит, что автор продвинул свою гипотезу «с помощью тонких аналогий и мягкого убеждения». Такой подход к утверждению теории в корне разнится с обычным требованием ее экспериментального подтверждения, которое только и может убедить физиков, что теория верна. На Поппера такой подход впечатления не произвел бы.

Эддингтон (и практически все авторы научно-популярных книг по этому вопросу) любит приводить примеры увеличения энтропии. Уроните чашку, и она разобьется на кусочки. Прокрутите пленку кинофильма задом наперед, и на экране возникнет неправильная картинка. Однако чашки у нас есть. Как же они появились? Вместо эпизода с разбивающимися чашками покажите фильм о фабрике по их производству, и вы получите совершенно другое впечатление. Люди придумали чашки. Они нашли материалы с высокой энтропией, обработали их, совместили все необходимые компоненты и стали изготавливать чайные чашки. Без этого производства не было бы чашек с низкой энтропией, которые можно разбивать. Прокрутите эту пленку назад, чтобы она показала, как чашка снова превращается в глину и воду, и обратное течение времени станет очевидным.

Мы окружены примерами уменьшающейся энтропии. Мы пишем книги, строим дома, создаем города, учимся. Кристаллы вырастают. Деревья захватывают и поглощают углекислый газ, содержащийся в нем углерод растворяется в воде и почве, а потом на его основе создаются замечательные организованные структуры. Энтропия дерева значительно ниже, чем энтропия газа, воды и находящихся в почве минералов, которые входят в состав древесных структур.

Человек срубает эти деревья с низкой энтропией, разрезает их на доски и строит из них дома. Если вы посмотрите фильм о строительстве дома, легко поймете направление времени по увеличению порядка, а не беспорядка на строительной площадке – вы определите это по уменьшающейся энтропии. Аргументы авторов, упоминающих о разбитых чашках, не носят всеобщего характера. Они основываются только на тех примерах, в которых энтропия очевидно увеличивается. А мы живем в реальном мире, который улучшается благодаря уменьшению энтропии. (Вообще направленный подбор примеров – уже модель локального уменьшения энтропии. Кстати, таковым можно назвать и написание книги.)

Конечно, энтропия Вселенной увеличивается, когда мы строим дом. Большая часть этого роста берет начало от теплового излучения, выбрасываемого в космическое пространство. Локально энтропия уменьшается. Прибавьте сюда фотоны, которые улетают в бесконечность, и общая энтропия снизится.

Даже в космическом пространстве мы видим уменьшение энтропии. Из первичного «бульона», состоявшего из газов, частиц и плазмы, формируются звезда и планета возле нее, и начинается жизнь. Ранняя Земля вначале была гомогенной кашей, горячей и жидкой. По мере остывания эта субстанция дифференцировалась и становилась более организованной, концентрируя железо в ядре, скальные массы возле поверхности (земной коры), а газы – в атмосфере. Впоследствии она оказалась неизмеримо более организованной, уменьшая свою энтропию так же, как теряет ее остывающая чашка с кофе. Конечно, при этом Земля выбрасывала в окружающее пространство большое количество тепла, которое увеличивало энтропию Вселенной. Эта энтропия была излучена в бесконечность, тогда как энтропия Земли в это время уменьшалась.

Прокрутите фильм о формировании Земли вперед и назад. Вам будет понятно, что правильный именно тот вариант, который показывает уменьшение энтропии. На нем вы видите формирование на Земле структур, а не их разрушение в хаос. История Земли от ее перехода из газообразного в жидкое, а затем в твердое состояние; эволюция жизни, человечества – все это летопись не увеличивающейся, а уменьшающейся локальной энтропии. История цивилизации – это описание не разбивания чашек, а их создания.

Эддингтоновская связь энтропии со стрелой времени никогда не могла быть опровергнута. Что хуже, под ней никогда не было эмпирической базы, да она и не развивала таковую – за почти 90 лет с тех пор, как была постулирована. Единственным ее оправданием служило то, что и энтропия, и время увеличиваются. Но это только корреляция, а не причинно-следственная связь. Cum hoc ergo propter hoc. Как же Эддингтону удалось нас обмануть?

Но это сделал не Эддингтон. Мы обманули сами себя.

Глава 16

Альтернативные стрелы

Если не энтропия направляет стрелу времени, то что же?

[Живой организм] питается отрицательной энтропией, он потребляет порядок, имеющийся в его окружении… Это изменение компенсирует увеличение энтропии, которое вызывает жизнь… Хитрость, благодаря которой организм остается высокоорганизованным, в реальности – постоянное «высасывание» им порядка из своего окружения.

Эрвин Шрёдингер, What Is Life[153]

Предложено много альтернатив стреле времени, определяемой энтропией. Это стрелы черной дыры, временной асимметрии, причинно-следственная, излучения, психологическая, квантовая и космологическая. Все они заслуживают рассмотрения, хотя я считаю, что наиболее убедительные из них две последние – квантовая и космологическая.

Стрела уменьшающейся энтропии

Стрела уменьшающейся энтропии может рассматриваться как вариант эддингтоновской энтропической стрелы, хотя по факту она принципиально отличается от последней. Ее надо воспринимать не в контексте разбивающейся чашки, а в контексте производства вещи, которую вы можете уничтожить. Такой подход утверждает постулат, что время движется вперед, так как пространство пусто и холодно. И излишняя энтропия может быть сброшена в него подобно мусору и забыта, что позволяет уменьшить локальную энтропию рядом с нами. В концепции стрелы уменьшающейся энтропии именно локальное ее сокращение определяет направление времени.

Для стрелы уменьшающейся энтропии я делаю скрытое допущение, что память требует сниженной энтропии – то есть ей необходима скорее большая, чем меньшая организация мозга. В результате мы заменяем случайные нейронные связи в нашем мозгу на более организованные, то есть те, которые могут сохранить детали прошедших событий и наших прошлых умозаключений. Как я уже отмечал, уменьшение энтропии становится ключевым фактором в создании жизни и цивилизации. Шрёдингер касался этого вопроса в своей книге «Что такое жизнь с точки зрения физики?», из которой я привел цитату в начале этой главы.

Что делает течение времени однородным? А в пользу однородности говорит то, что в отдаленных событиях скорость времени, судя по всему, соответствует нашей. Если бы время текло рывками – всплесками и резкими замедлениями, то при взгляде на отдаленные события эти толчки в них не соответствовали бы ситуации у нас и мы сразу бы увидели несоответствия. Однако течение времени вполне может постепенно ускоряться (или замедляться), и такие трудноуловимые изменения в нем могут остаться незамеченными.

И все же вопрос, который мы сейчас обсуждаем, касается не скорости времени, а его стрелы, то есть направления, в котором создаются воспоминания. Наше ощущение времени генерируется формированием воспоминаний. Мы склонны воспринимать его в неких фундаментальных отрезках. Фильмы, демонстрируемые со скоростью 24 неподвижных кадра в секунду, преобразуются мозгом в видимое и продолжительное движение. Для мухи все по-другому: она живет в мире миллисекундных отрезков времени. А есть еще деревья энты из легендариума Дж. Толкина[154], похожие на людей (и не имеющие никакого отношения к энтропии), которые считали естественными единицами времени дни, а не миллисекунды.

Стрела уменьшающейся энтропии страдает теми же недостатками, что и «стандартная модель» Эддингтона. Локальная энтропия увеличивается днем (из-за подъема температуры; горячие вещи внутренне менее организованны, чем холодные), а затем уменьшается ночью. Однако ваши экспериментальные часы продолжают идти вперед. Существует ли какой-либо инерционный механизм наподобие маховика, который «усреднял» бы кратковременные колебания времени и обеспечивал его однородное течение вперед? Такой механизм был предложен, но он носит характер эмпирической поправки без возможности проверки и опровержения.

Вероятно, мы можем обойти эту проблему, сосредоточившись на фундаментальной энтропии разума, отставив в сторону энтропию биосферы как неважную. При этом я не имею в виду общую энтропию нашего мозга, которая в основном определяется температурой. Речь об энтропии мысли, памяти, организации мышления и его воспроизводства.

Умственную энтропию почти невозможно определить словами, хотя попытаться можно, используя методы, разработанные Клодом Шенноном[155] для описания энтропии информации. Следует отметить, что за последние годы в этой области проделана огромная работа, в результате чего появилась даже новая теория – теория информации. Она имеет много общего с теорией энтропии физического мира, и в обеих применяются одни и те же теоремы. Энтропия информации содержит много парадоксов. Сколько информации заключено в числе 3,1415926535…? Бесконечное множество или столько, сколько содержится в символе π?

Несмотря на эти сходства, я считаю модель, при которой стрела времени определяется энтропией информации, гораздо более приемлемой, чем та, в которой действует теория энтропии Эддингтона. Чего нам не удалось достичь – так это даже оценить информационную энтропию человеческого мозга, а также понять, увеличивается она с течением времени или уменьшается. (Если эта энтропия превращает набор нулевых бит в смесь единиц и нулей, тогда нельзя исключать, что память – это увеличение энтропии.) Наша память, безусловно, постоянно реорганизуется, и мы все время стараемся воспринять самое главное и научиться ему. Однако никто еще не изобрел действенного способа измерения важности информации, и скорее всего, это-то и будет ключом к тому, чтобы сделать эту теорию подлинно жизнеспособной.

Стрела черной дыры

Многие объекты в нашей Вселенной воспринимаются как уже существующие или почти сформировавшиеся черные дыры. Они включают в себя «небольшие» объекты, которые в этом контексте, как считается, всего лишь в несколько раз тяжелее Солнца (такие размеры приняты как малые только в астрономии), и довольно большие объекты – массивные черные дыры в центрах галактик, которые весят (разумеется, этот глагол используется здесь метафорически) как миллион, а то и миллиард солнечных масс.

Бросьте что-нибудь в черную дыру, и этот предмет никогда не вернется. Вещи падают туда, а не обратно. Недавнее теоретическое предсказание, что черные дыры могут испускать какое-то излучение, не изменяет этой асимметрии. Для большинства массивных черных дыр такое излучение настолько незначительно, что им просто можно пренебречь. К тому же оно исходит не с поверхности самой черной дыры, а из районов, которые несколько отстоят от нее. Так что, наблюдая падение объектов в черные дыры, можно определять направление стрелы времени.

В течение многих лет Стивен Хокинг считал, что падение объектов в черную дыру нарушало второй закон (начало) термодинамики. Причиной было то, что любой объект, оказывающийся там, фактически исчезает из Вселенной, унося с собой свою энтропию и заставляя энтропию Вселенной казаться уменьшающейся. Я никогда не находил этот аргумент убедительным: для него не нужен пример черной дыры, поскольку если фотон улетает в бесконечность, это тоже приводит к потере энтропии в наблюдаемой Вселенной. (Вы больше никогда с этим фотоном не встретитесь.) В конце концов Хокинг изменил свою точку зрения. Его ученик Яаков Бекенштейн убедил учителя, что черные дыры сами содержат энтропию и, когда в них нечто попадает, их энтропия увеличивается. Таким образом (когда вы включаете этот компонент в рассуждения), энтропия Вселенной все-таки увеличивается, и второй закон оказывается спасенным.

Так что же все-таки относительно стрелы черной дыры? Она не выдерживает тщательного анализа. Главная причина в том, что любой объект, измеренный в системе отсчета Земли, а не черной дыры, никогда ее не достигнет. Я говорил об этом в главе 7. Так что в пределах любого конечного промежутка времени (измеренного в системе отсчета Земли) объект, падающий в черную дыру, скорее всего, может вернуться.

Такая возможность избежать падения формализуется постулированием существования белых дыр. Это повернутая во времени вспять дыра черная. Согласно уравнениям общей теории относительности, они действительно могут существовать. Но существуют ли? Насколько мы знаем, нет. Но возможность их реальности показывает, что в уравнениях черных дыр нет изначальной асимметрии времени – во всяком случае, в нашей собственной СО. И эта система отсчета остается такой, в которой направление стрелы времени – загадка.

Стрела излучения

Небольшая нестыковка, случившаяся в классической теории электромагнетизма, в начале 1900-х годов послужила причиной спора между Вальтером Ритцем[156], видным швейцарским физиком, и Альбертом Эйнштейном. Спор возник по поводу известного факта, что колебания электрона порождают электромагнитные волны. Это то, что мы делаем с радиоантенной: заставляем электроны передвигаться взад-вперед по куску проволоки, и в процессе этого движения возникают радиоволны. Если смотреть на микроскопическом уровне, то любой горячий объект (например, разогретая вольфрамовая нить в электрической лампочке) наполнен горячими электронами, которые колеблются с большой частотой. Этим и объясняется то, что объекты светятся ярко-красным или даже белым светом. Колеблющиеся электроны генерируют высокочастотные электромагнитные волны, которые мы называем видимым светом.

Эмиссия такого излучения может быть рассчитана с использованием классических уравнений Максвелла, однако для этого нужно иметь представление о направлении времени. Именно отсюда родилась идея, что излучение может определять направление времени. Посмотрите разделы об электромагнетизме в сегодняшних учебниках физики для старших школ и колледжей. Уравнение, описывающее излучение, названо в честь человека, который впервые вывел его в 1897 году, ирландского физика Джозефа Лармора[157]. Утверждается, что для его выведения необходим ввод принципа причинности, то есть требуется (так написано в большинстве учебников, которые я видел) признать, что колебания электронов происходят до возникновения излучения. Причинность открыто вводится включением в уравнение того, что называется запаздывающим потенциалом и пренебрежением опережающего потенциала.

Именно это заставило многих ученых уверовать, что явление классического излучения, присутствующее в физике (не только свет, но и водяные волны, звуковые и волны землетрясений), определяет направление стрелы времени. Действительно, в приведенных мной примерах уменьшения локальной энтропии (например, при изготовлении чашки или строительстве здания) эмитированное излучение тоже отвечает за уменьшение энтропии, унося ее больше, чем восстанавливая. Таким образом, излучение задает направление стреле.

Ритц понимал, что уравнения электромагнетизма, в особенности ясные примеры расчета излучения, содержали «встроенное» направление времени. Эйнштейн утверждал, что это не так. Кажется странным, что спор разгорелся вокруг математики. На самом деле проблема была не в математике, а в том, как ее интерпретировать. Спор между двумя учеными приобрел общественный характер. Он выплеснулся на страницы нескольких статей в очень известном научном журнале Physikalische Zeitschrift[158]. Редактор попросил обоих физиков опубликовать совместное письмо, поясняющее суть спора. Ритц и Эйнштейн написали статью, которая была расценена публикой как их «согласие в несогласии друг с другом». Дискуссия шла вокруг включения в уравнения опережающего потенциала – той их части, которая, казалось, предсказывала излучению, что собирался делать колеблющийся электрон. Ритц сказал, что такое включение «не физично»; Эйнштейн же утверждал, что в качестве теории опережающий потенциал должен быть включен.

Когда я размышляю над этим спором двух ученых в ретроспективе, мне кажется, Ритц был движим прежде всего теми выводами, к которым он хотел прийти, а не убедительными математическими фактами. Он не был тогда еще убежден, что сравнительно новая по тем временам теория относительности была правильной, а имя ее автора не стало пока синонимом гениальности. До этого было еще несколько лет. Эйнштейн же оставался объективным. Кажется странным, что он не разработал математику этого вопроса. Она оставалась нетронутой до тех пор, пока молодой студент Ричард Фейнман не представил соответствующую работу Эйнштейну.

Достижения Фейнмана

В 1945 году Ричард Фейнман, начинающий молодой ученый (даже еще без степени доктора наук), только закончил работу в Манхэттенском проекте. Он утверждал, что был единственным, кто нарушил данный всем приказ и открыл глаза в момент первого испытательного атомного взрыва в Нью-Мексико (разумеется, он смотрел через затемненный фильтр). Научный руководитель диссертации Фейнмана в Принстоне, Джон Уилер[159], предложил молодому ученому заняться изучением асимметрии в выводе уравнения излучения и выяснить, может ли излучение быть рассчитано с использованием опережающего потенциала с таким же успехом, как и потенциала запаздывающего. Тогда такое предложение было равносильно вопросу о том, может ли знание будущего быть использовано для предсказывания прошлого. Требуют ли уравнения классического излучения, чтобы время двигалось вперед, или излучение может быть даже обращено назад?

Фейнману удалось аргументировать, что уравнения работали как с опережающим, так и с запаздывающим потенциалами. Этот результат подтвердил позицию Эйнштейна. Он показал, что уравнения для излучения симметричны во времени, никакой первичной стрелы не существовало. И вывод, и доказательства стали блестящим достижением молодого докторанта и предвестником великих дел, которые Фейнман еще должен был совершить, – включая его пересмотр квантовой физики и интерпретацию антивещества как вещества, движущегося во времени в обратном направлении.

Уилер был очень доволен работой Фейнмана и попросил его выступить с сообщением на еженедельном семинаре, который организовал Юджин Вигнер[160] – физик, чей математический гений создал основание для большей части современной теоретической физики. Для Фейнмана это было первое подобное выступление, и он согласился, хотя перспектива читать лекцию самому Вигнеру пугала. Затем Уилер сказал молодому ученому, что пригласил также Генри Рассела[161], знаменитого своим вкладом в развитие теории звезд и теории атомов. Фейнман занервничал еще больше. Но это оказалось не все. Среди приглашенных был и Джон фон Нейман[162], один из выдающихся гениев науки своего времени, который внес огромный вклад в развитие не только физики и математики, но и статистики, цифровой информатики и экономики. И, что было уж совсем плохо, – Уилер пригласил также Вольфганга Паули[163], одного из основателей современной физики, великого ученого квантовой эры, создателя принципа запрета Паули, которым объяснялась стабильность атомов. Он был известен своей острой и уничижающей критикой научных работ, которые считал ошибочными, его иногда даже называли «совестью физики». Фейнман готовился к самому худшему.

И это произошло. Приглашение на семинар принял Эйнштейн.

Фейнман рассказывал, что находился в полном отчаянии. В своей книге Surely You’re Joking, Mr. Feynman[164] он вспоминал: «И вот передо мной сидят в ряд величайшие умы современности». Уилер пытался успокоить Фейнмана ободряющими словами: «Не волнуйся, я сам отвечу на все вопросы».

Позднее он говорил, что как только начал выступление, вся нервозность куда-то исчезла. Ученый погрузился в чистую физику и вдруг обнаружил, что авторитетом в проблеме, которую он излагал, были не Вигнер, не Нейман, не Паули и даже не Эйнштейн, а он – Ричард Фейнман. Он, а не Вигнер, отвечал на вопросы, и все прошло замечательно.

Фейнман показал, что классическая теория излучения не делает разницы между прошлым и будущим. Был прав Эйнштейн, а не Ритц (вас это удивляет?). Электромагнитное время не задает направление стреле времени.

Психологическая стрела

Психологическая стрела во многих отношениях наиболее загадочная из всех предложенных стрел времени. Если мы будем исходить из представления о том, что физика полностью обратима во времени и показанное задом наперед кино не нарушает никаких законов, может ли все-таки существовать стрела, направление которой задается самой жизнью? Есть ли что-то, заставляющее нас помнить прошлое, а не будущее, хотя законы физики полностью симметричны?

Большинство физиков убеждены, что ничего духовного в направлении времени нет, оно не связано ни с каким особенным проявлением жизни, и ответ лежит исключительно в плоскости физики. Например, Стивен Хокинг утверждает, что психологическая стрела времени основывается на стреле энтропической. Но это скользкий вывод. Его обычно не доказывают, а просто постулируют как нечто само собой разумеющееся. Хокинг говорит: «Беспорядок и хаос увеличиваются со временем, потому что мы измеряем время в направлении увеличения этого беспорядка. Справедливее ответа нет!» Однако такое заявление само служит примером логической ошибки, известной под названием ipse dixit[165], то есть доказательства путем утверждения, достигаемого через авторитарность.

Что такое память? Дать определение и понять ее гораздо труднее, чем вы, вероятно, ожидали. У всех есть такое ощущение, что, обучаясь, мы уменьшаем степень беспорядка в мыслях, в нашем мозгу. Это снижение энтропии? Но подобный процесс можно рассматривать и как ее увеличение: если мозг представить в качестве хорошо организованных пустых ячеек (подобно памяти компьютера, которая заполнена нулями и в которой нет ни одной единицы). Учась, мы делаем эти ячейки более дезорганизованными в информационном смысле. Существует всеобщее понимание того, что если память – это сокращение беспорядка, то процесс обучения должен генерировать много тепла, наращивающего энтропию Вселенной. Так что, если даже локальная энтропия нашего мозга уменьшается, энтропия Вселенной в целом увеличивается. Но для нас наиболее значимо локальное уменьшение энтропии.

Некоторые полагают, что сама жизнь, а также сознание, выходит за пределы физики. Далее в книге я исследую эту возможность. До той степени, пока мы рассматриваем человека как сложное сочетание различных химических веществ и соединений, реагирующее на внешние импульсы, нет никакой необходимости в постулировании психологической стрелы времени. Компьютеры, работающие исключительно на физических формулах и уравнениях, прекрасно запоминают прошлое и не нуждаются в психологии сознания или жизни. Они могут рассчитать многие аспекты будущего. В парадоксе с тахионным убийством у Мэри не было выбора, кроме нажатия курка. Свобода ее воли оказалась иллюзией, а поведение полностью определялось физическими уравнениями.

Антропическая стрела времени

«Антропический» означает «имеющий отношение к человеку». Самое раннее использование этого термина относится к середине XIX века, когда в классическом толковом словаре английского языка Oxford English Dictionary (1859) им сопровождались наблюдения за гориллами и их человекоподобным поведением. Антропный принцип любят многие современные теоретики, особенно это касается области теории струн. Он гласит: с учетом того, что только очень малый набор вероятностей может послужить основой для разумной жизни, мы сами можем определять параметры Вселенной, включая ее возраст, размеры и состав, а также, возможно, направление течения времени.

Согласно антропному принципу, наша способность размышлять о происхождении Вселенной возможна благодаря ее исключительной особенности. «Я мыслю – следовательно, я существую». Более того, это должно означать, что время движется вперед, а не назад. Хокинг считает антропный принцип невероятно могущественным, определяющим даже, почему психологическая стрела времени указывает в том же направлении, что и энтропическая. Если бы это было не так, заявляет Хокинг, мы вообще не обсуждали бы сейчас эту проблему. QED[166].

Я считаю антропный принцип бесполезным. По моему опыту, он используется теми физиками, которым не удалось подтвердить свои концепции вычислениями. Именно поэтому они утверждают, что порядок вещей должен быть таким, каков он есть, иначе нечего было бы обсуждать. Такое логическое построение основывается на твердом убеждении, что любая форма разумной жизни должна быть очень похожей на нашу. Время должно двигаться вперед, потому что если бы оно текло назад, вся окружающая действительность была бы другой.

Мой коллега Холгер Мюллер (мы не знаем о наличии между нами родственных связей) предложил пример для иллюстрации пустоты антропного принципа. Представьте ученого, размышляющего над вопросом: «Почему существует Солнце?» Основанный на антропном принципе ответ гласил бы: «Потому что если бы его не было, то нас тоже не было бы!» Это примитивный ответ, который, возможно, могли бы озвучить философы XVIII века. Гораздо более наполненный и удовлетворительный ответ дала физика: «Облако остатков от первичного взрыва сверхновой звезды стало уплотняться под действием сил собственной гравитации. По мере того как в него попадали куски вещества, под действием скорости и гравитационного сжатия образовалось большое количество тепла, которое создало температуры, достаточные для начала ядерной реакции». И так далее. Именно такой ответ удовлетворяет научной парадигме, значительно перекрывая пустой подход антропного принципа.

В начале 1900-х годов Вольфгангу Паули, одному из создателей квантовой теории, показали научную работу, которую он расценил как слабую и путаную. Говорят, тогда он отметил, что «работа даже не ошибочна»[167]. По глубокому убеждению Паули, одним из достоинств научной теории считается то, что она может быть опровергнута. Работа, с которой познакомили Паули, не отвечала этому критерию. Питер Войт, физик-математик из Колумбийского университета, с жаром отстаивал мнение, что антропный принцип (так же как и теория струн) вписывается в оценку Паули как «даже не ошибочный». Войт излагает аргументы в своем блоге и книге, которые оба называются (вполне естественно) «Это даже не ошибка». По-моему, выражение это даже не ошибка в такой же мере относится и к объяснению направления стрелы времени энтропией.

Нарушение обратимости времени

Рассматривая вопрос о сейчас, мы скоро войдем в царство квантовой физики, которая стала другой теоретической революцией XX века (в дополнение к теории относительности). Некоторые концепции квантовой физики так же будоражат наше сознание, как и наиболее волнующие аспекты теории относительности, или даже более того. Это концепция о путешествии частиц назад во времени (антивещество) и таинственное явление под названием квантовое измерение, которое, судя по всему, обладает собственной «стрелой». Но прежде чем перейти к затронутым вопросам, хочу коснуться квантового явления, имеющего непосредственное отношение к стреле времени. Открытое в 2012 году, оно получило название нарушение обращения времени, или нарушение Т-симметрии (Т – time, время).

Нарушение обращения времени подразумевает, что картина взаимодействий между частицами может быть одинаково представлена как движущаяся вперед или движущаяся назад. В субатомный мир элементарных частиц встроено направление времени, никак не связанное с энтропией. Открытие нарушения Т-симметрии было далекоидущей целью физики (я не буду использовать затасканную метафору с поисками святого Грааля[168]), которая смогла быть достигнута с большим трудом в результате проведения очень сложных экспериментов. Нарушение Т-симметрии подозревали уже давно. Когда же были проведены наблюдения за различиями в поведении частиц и античастиц, ученые восприняли это как указание на то, что нарушения Т-симметрии станут реальностью.

В 1960 годах в качестве докторанта я изучал взаимодействие частиц вместе с Филом Даубером, который только что поступил на работу в группу, возглавляемую Луисом Альваресом, в лаборатории Лоуренса университета Беркли. Я был очень взволнован, когда одна из частиц под названием каскадный гиперон (кси-гиперон), которую мы изучали, показала признаки нарушения Т-симметрии в процессе распада! Поскольку такое открытие могло стать очень важным, Фил тщательно проверял все данные, придумывал самые невероятные тесты, стремясь не допустить возможных системных искажений и всеми силами стараясь опровергнуть свое открытие.

В конце концов он сказал, что ему удалось снизить количество стандартных отклонений при исследовании нарушения Т-симметрии всего до двух. То есть у него есть «только» 95 % на то, чтобы быть правым, и 5 % – на ошибку. Фил объяснил, что такое соотношение не годится для важного открытия. У исследователя остается 5 % шансов на то, что его доклад будет содержать полную чепуху. Я был ошарашен, думая иначе: 95 % вероятности того, что такое важное открытие – истинно, уже очень большая вероятность. Однако это не так, терпеливо объяснял мне Даубер. Все работающие с физикой частиц, по его словам, должны руководствоваться высокими стандартами. В докладе о работе мы с Филом указали, что параметр, обозначающий наличие нарушения Т-симметрии, имел всего лишь два стандартных отклонения от нуля – а это означало, что он практически равен нулю. Мы сделали вывод об отсутствии нарушения Т-симметрии. Ярких заголовков газет не случилось.

Представьте мое разочарование. Я подключился к проекту, сулившему одно из важнейших открытий всех времен, о котором мои потомки могли бы читать в книгах по истории. И у меня было 95 % шансов на то, что я прав! Однако Фил не был уверен в том, что 95 %-ная вероятность успеха – это достаточно много.

Спустя десятилетия я вернулся к этому вопросу. Со временем появились более точные приборы для измерения Т-симметрии в отношении каскадного гиперона. И что интересно, окончательный результат действительно оказался нулевым, хотя и с гораздо меньшей вероятностью ошибки. Фил оказался совершенно прав в следовании строгим научным стандартам, а я вынес из этой истории очень важный урок насчет научных открытий.

Что же пошло не так? Как получилось, что находка, дававшая 95 %-ную вероятность того, что она верна, оказалась ошибкой? Да просто в то время мы изучали множество физических явлений. Наблюдали распад различных частиц, следили за их взаимодействием, за изменениями массы и ожидаемой симметрией. В научном отчете мы упоминали о примерно 20 полученных результатах. Если каждый из них имел 5 %-ную вероятность ошибки, мы должны были ожидать, что один из них – вообще неверный. Единственный путь к отсутствию серьезных ошибок – следование высоким научным стандартам.

Сейчас, вспоминая работу в группе Альвареса, понимаю, что мне очень повезло: я взаимодействовал с удивительным коллективом, в который входили одни из лучших физиков мира. В 1960−1970-х годах они были на переднем рубеже физики частиц и почти каждый месяц сообщали об открытиях. Вполне может быть, что количество важных достижений, о которых они известили человечество, превысило число подобных в любой другой группе ученых в мире. Тем не менее не могу припомнить ни одного примера, чтобы обнародованное ими научное открытие было впоследствии признано ошибкой. Это удивительно. Добиться этого можно было, только соблюдая строжайшие стандарты.

В 2012 году коллектив ученых из Центра линейного ускорителя Стэнфордского университета опубликовал результаты исследования двух разных реакций, имеющих отношение к распаду редкой частицы под названием В-мезон. Эти частицы существуют в нескольких формах, в том числе и таких:

(нейтральный В-мезон с черточкой) и В_ (В-мезон «минус»). Ученые изучали две реакции: одну, в которой

превращается в В_, и вторую – с обратным процессом. Это процессы с обращенным временем: если вы смотрите фильм, показывающий один процесс, то это может быть и фильм, показывающий другой процесс в обратном времени. Однако в ходе изучения реакций группа наблюдала нарушения симметрии, которые составили 14 стандартных отклонений. Согласно теории статистики, такой результат давал вероятность ошибки в соотношении всего лишь 1:10^44. Это один шанс на 100 тредециллионов[169]. Такой ничтожный шанс на ошибку, наверное, удовлетворил бы даже Фила Даубера.

Это открытие не было случайным. Изучению реакций В-мезонов предшествовало наблюдение за очень своеобразным поведением связанных с ними каонов[170]. Исследователи хотели в этих взаимодействиях увидеть нарушения обращения времени. Сегодня мы можем ясно сказать то, о чем в 2012 году могли только догадываться: обращение времени вовсе не полная симметрия законов квантовой физики. Время, движущееся вперед, отлично от времени, идущего назад.

Это очень важное соображение в изучении природы времени. Но может ли оно каким-то образом сыграть роль в определении направления движения времени, его течения и значения сейчас? Думаю, нет. Нарушение инверсии времени невелико по эффекту. Используя метафору, можно сказать, что принцип инвариантности времени нарушен, но это не тяжкое преступление. Ситуацию можно приравнять к штрафу за неправильную парковку, а не к серьезному уголовному наказанию. Доказательством нарушения Т-симметрии сегодня можно назвать только особый вид радиоактивности (распад В-мезонов), который можно наблюдать лишь в экзотических лабораториях физики высоких энергий. Как может такое локальное и трудно наблюдаемое явление сыграть какую-то роль в определении направления времени?

Эти утверждения подводят меня к мысли, что нарушение обращения времени не особенно важно в повседневной жизни. Однако это не означает, что оно не было значимым на ранних этапах существования Вселенной, когда все пространство было заполнено плотным перегретым бульоном из частиц, в том числе (в очень ранней Вселенной) множества каонов и В-мезонов.

На самом деле существуют серьезные аргументы в пользу того, что нарушение симметрии вещества и антивещества, тесно связанных между собой, и послужило условием для создания Вселенной, которую мы знаем сегодня. Андрей Сахаров[171], нобелевский лауреат (за критику советского правительства) и один из авторов водородной бомбы, в 1967 году отмечал, что нарушение симметрии вещество-антивещество (называемое СР-симметрией) могло привести к небольшому преобладанию вещества над антивеществом в первые моменты возникновения Вселенной, в объемах примерно одной части на 10 миллионов. Однако впоследствии, по мере остывания Вселенной, все антивещество вступило в аннигиляцию с веществом, превратившись в фотоны. Из-за небольшого преобладания вещества при аннигиляции образовались его небольшие остатки в виде того вещества, которое сейчас наполняет Вселенную. Звезды, планеты и люди – все это сделано из небольшого количества вещества, оставшегося после великой аннигиляции. Нарушение СР-симметрии было небольшим и преимущество вещества – совсем незначительным. Да здравствует победа!

Наблюдение нарушения обращения времени важно и с еще одной точки зрения: оно было предсказано на основе базовых положений квантовой теории, в которой выражается абстрактной СРТ-теоремой. То, что эта абстрактная теорема предсказала необычное явление и была подтверждена, стало еще одной демонстрацией того, что квантовая теория имеет прочное основание.

Квантовая стрела

Асимметрия времени может таиться в таком таинственном аспекте квантовой физики, который известен как квантовое измерение. Этот процесс оказывает влияние на квантовые состояния в будущем, но не прошлом. В нескольких последующих главах об этом будет рассказано подробнее. Главным недостатком при задействовании теории измерений оказывается то, что она очень сложна для понимания. Именно поэтому объяснения, построенные на ее основе, не могут быть подлинными, а таят надежду, что две тайны (время и измерение) могут быть соединены. Тем не менее квантовая стрела заслуживает самого серьезного внимания.

Космологическая стрела

Эддингтон предложил энтропийную стрелу потому, что увеличение энтропии представлялось ему единственным законом физики, в котором имелось направление времени. Оставался вопрос: почему энтропия увеличивается? Ответ был найден в Большом взрыве, великом открытии, объясняющем то, что наша нынешняя Вселенная не умерла. Большой взрыв позволил Вселенной всегда быть молодой, а следовательно, до сих пор оставаться неразупорядоченной. Расширение пространства создало много места для дополнительного роста энтропии.

Однако с принятием теории Большого взрыва необходимо посмотреть на проблему стрелы времени по-новому. Энтропийный механизм работает не очень удовлетворительно. Тогда нужен ли он? Если мы представляем Вселенную в качестве пространства-времени, почему она должна расширяться только в смысле пространства? Почему и не во времени тоже? На самом деле это и происходит: каждую секунду мы прибавляем новую секунду ко времени. Возможно, о течении времени более точно следует размышлять как о создании нового времени. Представлять себе не трехмерный Большой взрыв, а четырехмерный, с постоянным безостановочным созданием пространства и времени.

В главе 11 я предлагал представить, что вам дано полное знание Вселенной, почти равное Божественному, в том числе о двух моментах, по поводу которых все интересуются, какой из них был первым. Как бы вы ответили? Тогда я посоветовал высчитать энтропию двух моментальных снимков, сделанных в эти моменты. Первым был тот, энтропия которого меньше. Но вы можете также оценить и размеры Вселенной. Момент, который произошел в меньшей по размеру Вселенной, – первый.

Чтобы хорошенько в этом разобраться, нам нужно окунуться в другое великое и революционное открытие XX века. В то, которое во многом еще более, чем теория относительности, приводит в замешательство и противоречит здравому смыслу.

Часть III

«Жуткая» физика

Глава 17

Кот одновременно живой и мертвый

Начинаем представление квантовой физики с самого абсурдного примера…

Я не могу описать [это]… но я узнаю это, когда увижу.

Судья Верховного суда США Поттер Стюарт (не по вопросу измерений)

Как будто головоломные концепции теории относительности оказались недостаточно разрушительными для XX века, сразу после их появления произошла еще одна мучительная, но вместе с тем значимая революция – рождение квантовой физики. Одним из ее основателей был Альберт Эйнштейн; именно ему принадлежит вывод о том, что энергия света квантована и ее можно регистрировать только своеобразными пакетами, которые мы сегодня называем фотонами[172]. Но квантовая физика завоевала себе место под солнцем не так быстро, как теория относительности. Она отличалась такими странными и загадочными чертами, что даже сами ее изобретатели не прекращали споров и дебатов о том, что она означает, как ее следует интерпретировать и не окажется ли она всего лишь временной аппроксимацией[173], притом что более полное описание скрытой под ней реальности еще предстоит открыть. Эти дебаты не утихают до сего дня.

Проблемы этой теории вытекают из самой ее формулировки. Квантовая физика постулирует, что окружающий нас реальный мир описывается чем-то расплывчатым и эфемерным, к тому же принципиально неизмеримым, называемым амплитудой. Амплитуда может выражаться обычным числом; комплексным числом, имеющим и действительную, и мнимую составляющие; или набором чисел, называемым волновой функцией. Квантовая физика постулирует, что амплитуда призрачна, недостижима и напоминает маячащий на заднем плане дух, который воплощает в себе всю реальность. Однако даже если амплитуда точно известна, вы не сумеете предсказать результат измерения, а можете лишь назвать вероятность того, что измерение даст какой-то конкретный результат.

Все это звучит загадочно и неопределенно, хотя именно эти принципы используются сегодня при разработке электроники, которая оживляет наши смартфоны, планшеты, телевизоры, цифровые камеры и компьютеры. Буквально каждый физик сталкивается с призрачными амплитудами и волновыми функциями. Большинство ученых просто игнорируют не поддающиеся измерению аспекты квантовой теории и продолжают делать свое дело.

Большинство, но не Эйнштейн. Все его прорывные открытия в физике сделаны в результате того, что он сосредоточивал внимание на парадоксальных результатах, необъясненных явлениях и вообще на вещах, которые для него лично не имели физического смысла. Новая квантовая физика точно укладывалась в эти категории – она была более загадочной, чем замедление времени и уменьшение длины; более странной, чем черные дыры; более невообразимой, чем обратный ход времени. Ее, возможно, даже сейчас самый огорчительный аспект можно проиллюстрировать историей, сочиненной Эрвином Шрёдингером[174] – физиком, имя которого известно каждому студенту по важнейшему уравнению Шрёдингера. Он был коллегой и союзником Эйнштейна и разделял его обеспокоенность в связи с квантовой физикой[175].

Кот Шрёдингера

Шрёдингер придумал яркий пример в поддержку эйнштейновского утверждения о том, что квантовая физика фундаментально несостоятельна. Ситуация проста, хотя и намеренно жестока; скорее всего, это сделано для того, чтобы привлечь ваше внимание и заставить как следует оценить когнитивный диссонанс, который порождает эта история.

Шрёдингер предлагает представить кота в коробке. Кроме кота, там имеется один радиоактивный атом, распад которого с вероятностью 50 % должен произойти в течение ближайшего часа. Если он распадется, то запустит механизм, убивающий кота. Для наглядности Шрёдингер предлагает молоток, разбивающий ампулу с синильной кислотой. Хотите увидеть изображение? Поищите в сети словосочетание «кот Шрёдингера».

Если вы откроете коробку ровно через час, то с вероятностью 50 % увидите мертвого кота и с вероятностью 50 % – живого. Кажется, все довольно просто, хотя и негуманно. (Не пытайтесь проделать это дома.)

Что здесь представляет загадку и что, собственно, беспокоило Эйнштейна и Шрёдингера, так это то, как ситуация описывается на языке квантовой физики. Согласно стандартному подходу, которым пользуются практически все физики, амплитуда[176], описывающая атом и кота, эволюционирует на протяжении всего часа. Первоначально она описывает живого кота и целый, нераспавшийся атом. Но с течением времени амплитуда меняется. В конце часа она состоит из двух равных частей: та, что описывает мертвого кота и фрагменты распавшегося атома, накладывается на ту, в которой кот жив, а атом цел. Пока кто-нибудь не заглянет в коробку, кот одновременно и мертв, и жив, то есть находится в суперпозиции (наложении) двух состояний. Согласно этим правилам, акт открывания коробки и заглядывания внутрь представляет собой измерение, а при измерении волновая функция сразу же коллапсирует, и у вас остается только одна реальность вместо суперпозиции двух. Кот, когда на него смотрят, либо совершенно жив, либо совершенно мертв, он больше не может пребывать в двух состояниях одновременно. Но упрощение ситуации происходит только в тот момент, когда вы заглядываете в коробку.

Я попросил мою жену Розмари (она архитектор) прочесть эту главу. Часть текста, посвященная коту Шрёдингера, аккурат до этого места, показалась ей совершенно невероятной. Она наотрез отказалась поверить, что какой бы то ни было ученый мог всерьез постулировать кота, который был бы одновременно живым и мертвым. Сама концепция настолько абсурдна, настолько нелепа, что она остановилась на этом месте и отказалась читать дальше, пока я не исправлю это глупое описание, из которого у читателя может сложиться впечатление, что в квантовой механике в самом деле содержится такая чепуха.

Спросите об этом любого физика. Именно так все и обстоит. Можете утешиться: вас беспокоит то же самое, что мучило Эйнштейна и Шрёдингера и что заставило последнего придумать этот безумный пример. Вот что я сказал Розмари, и она согласилась продолжить чтение, хотя, может, и против собственного желания. (А еще она разрешила описать ее впечатления, в утешение другим читателям.)

Шрёдингер и Эйнштейн считали историю про кота типичным образцом reductio ad absurdum – полемического приема, известного как «доведение до абсурда»; они были уверены, что в этом случае нелепый вывод наглядно продемонстрирует: квантовая физика противоречит здравому смыслу, а потому неверна. Пока кто-нибудь не посмотрит – кот одновременно и жив, и мертв? Да ладно вам! По мнению ученых, этот пример должен был окончательно решить дело, прекратить все споры и продемонстрировать, что квантовая физика фундаментально ущербна.

Макс Борн[177] и Вернер Гейзенберг[178], зачинатели и активные сторонники вероятностной интерпретации, отказались признать ошибку. Да, история кота Шрёдингера звучит нелепо, но точно так же звучали и рассказы о замедлении времени и сжатии пространства, когда их впервые предложил Эйнштейн. Даже теория о том, что обычное вещество состоит из атомов, когда-то не укладывалась в рамки здравого смысла. В истории с котом нет никаких противоречий – просто сама ситуация идет вразрез с нашими интуитивными представлениями.

Описанный здесь спор произошел около 80 лет назад. И как же обстоит дело сегодня? Вот замечательный ответ: практически все физики согласны с точкой зрения Борна−Гейзенберга. Тем не менее абсурдность ситуации с котом Шрёдингера так и не получила удовлетворительного объяснения. Как же современные физики реагируют на reductio ad absurdum – этот нелепый пример? Никак. Кот Шрёдингера и сегодня не дает им покоя, если вдруг о нем вспоминают, но чаще физики предпочитают игнорировать эту проблему и двигаться дальше.

Копенгагенская интерпретация

Подход Борна и Гейзенберга (а они тоже были основателями квантовой физики) получил название копенгагенской интерпретации; так назвал его Гейзенберг в честь города, где он работал ассистентом у Нильса Бора. Сегодня большинство физиков принимают копенгагенскую интерпретацию. Эйнштейн продолжал оспаривать ее до конца своих дней (1955). И до сих пор организуются встречи, на которых немногочисленные гордецы сомневаются в реальности квантовой физики, ведут долгие математические и эзотерические дискуссии по поводу возможных альтернатив, но основная масса специалистов эти собрания игнорирует. Квантовая физика работает; молчаливому большинству физиков этого достаточно. Задайте кому-нибудь из них вопрос и, скорее всего, услышите в ответ что-нибудь вроде: «Знаю, это звучит странно, но у нас нет никакой возможности сказать, жив кот или мертв, без того чтобы повлиять на результат, так что мы просто не в состоянии различить эти ситуации».

Некоторые ученые неверно понимают квантовую физику и ошибочно считают, что кот либо жив, либо мертв, но не то и другое одновременно, а наблюдатель просто не может знать, в каком кот состоянии, пока не откроет коробку. Именно так считали Эйнштейн и Шрёдингер. В настоящее время такой подход называется теорией скрытых параметров (переменных). В этом случае скрытым параметром будет живость кота. Именно так часто рассказывают студентам в курсе квантовой физики, но копенгагенская интерпретация не об этом. И, как я вам покажу, эксперименты с квантово-механическим свойством, известным как запутанность, позволяют сделать вывод, что верна именно копенгагенская интерпретация, а не точка зрения Эйнштейна и Шрёдингера, связанная со скрытыми параметрами. В главе 19 я опишу первый такой эксперимент, проведенный Стюартом Фридманом[179] и Джоном Клаузером[180]. (Нет, кота они к своим экспериментам не привлекали.) Наилучшая теория из всех существующих говорит о том, что действительно копенгагенская интерпретация верна: кот одновременно жив и мертв до момента измерения[181].

Но разве нельзя раньше определить, умер ли кот, по состоянию тела, температуре крови или каким-то другим физиологическим признакам? На самом деле волновые функции атома и кота должны включать все возможные значения времени распада с надлежащими весами, которые отражали бы вероятность раннего и, напротив, позднего радиоактивного распада. (Если вы включите в свое измерение этот дополнительный аспект, то и амплитуда у вас получится несколько более сложной, чем просто число.) Если заглянете в коробку или, скажем, вставите туда термометр, это действие тоже будет считаться измерением. Открыв коробку, вы можете увидеть как только что погибшего кота, так и кота, который, судя по виду, пролежал мертвым почти час, несмотря на то что, по копенгагенской интерпретации, всего мгновение назад его судьба еще не была решена.

Неужели кот ничего не чувствовал? Что мы подразумеваем под измерением? Нужен для этого человек, или, может быть, кот сам может выполнить измерение? А если мы заменим кота человеком? Как бы поразительно и тревожно это ни звучало, ответ на все наши вопросы одинаков: мы не знаем. Достоверной теории измерения пока не существует. Это лишь мечта физиков. И эта пока не сформулированная теория измерения – именно то место, где, по мнению некоторых ученых, может скрываться правда о происхождении времени, стреле времени и скорости его хода. Заглядывая в коробку, вы воздействуете только на будущую амплитуду; в будущем кот присутствует либо живым, либо мертвым. Вы не можете повлиять на прошлую амплитуду, включавшую в себя кота одновременно живого и мертвого. Таким образом, здесь имеется асимметрия – нечто новое в физике, отличающее прошлое от будущего.

Призрак, лежащий в основе реальности

Для кота Шрёдингера амплитуда жив/мертв была просто числом, которое при возведении в квадрат давало вероятность этого варианта в конце некоторого периода времени. Как я уже упоминал, если амплитуда зависит от расположения в пространстве и от времени, она называется волновой функцией. Сам Шрёдингер, автор истории с котом, знаменит в первую очередь тем, что выработал уравнение, которое показывает, как волновая функция отзывается на внешние воздействия, как она движется и меняется в пространстве и времени, – знаменитое уравнение Шрёдингера, которое изучают все будущие физики и химики.

Волновая функция может описывать электрон, летящий сквозь пространство или обращающийся по атомной орбите. В химии та же волновая функция называется орбиталью. Поскольку волновые функции не похожи на точку, а как бы размазаны, положение частицы (координаты точки, в которой она будет обнаружена) оказывается неопределенным. Скорость частицы, установленная через волновую функцию, также неопределенна. Все волновые функции изменяются во времени, а энергия частицы непосредственно связана с частотой посредством формулы, которую Эйнштейн открыл для фотонов, E = hf[182]. Если частота не имеет точного значения, в том смысле что характеристики колебания напоминают музыкальный аккорд (так же складываются из нескольких нот) или, что еще хуже, шум, то энергия тоже оказывается неопределенной.

Чтобы найти ожидаемые координаты частицы, возведем в квадрат численное значение волновой функции во всех точках. Это даст относительную вероятность обнаружения конкретной частицы в любой заданной точке. Чтобы определить, насколько быстро движется частица, следует проанализировать длины волн. Малые длины соответствуют высоким скоростям. Французский физик Луи де Бройль показал, что импульс р волновой функции (масса, умноженная на скорость) задается постоянной Планка h, деленной на длину волны: р = h/λ. В некоторых случаях волновая функция может быть сложной суперпозицией комплексных чисел. Когда вы проводите измерение, волновая функция «коллапсирует», изменяясь и принимая вид, соответствующий вашему измерению. Такое изменение называется коллапсом, потому что при нем, как правило, волновая функция упрощается. Откройте коробку, чтобы взглянуть на кота Шрёдингера, и волновая функция сколлапсирует, чтобы представлять далее либо живого кота, либо мертвого, но не то и другое одновременно. Все, что мы в принципе можем когда-либо увидеть, это простые результаты измерений, среди которых не бывает странных комбинаций вроде кота, который одновременно жив и мертв, – при измерении он может быть либо живым, либо мертвым.

Надо сказать, эта волновая функция – настоящий призрак. Ее нельзя измерить. Каждое ее значение состоит обычно из двух чисел (действительной части и мнимой) – или больше, если имеет место суперпозиция. Проведите измерение, и новая волновая функция окажется намного проще. Это часть копенгагенской концепции Борна−Гейзенберга, и она до сих пор в ходу. Более того, сегодня физики пытаются воспользоваться скрытыми призрачными аспектами волновой функции, применив их в квантовых компьютерах. На компьютерном жаргоне значение амплитуды называется квантовым битом, или кубитом[183].

Волновая функция электрона может быть малой по протяженности и ограничиваться пространством вокруг ядра атома или большой и охватывать все пространство между Землей и Солнцем. Если известно прошлое волновой функции и действующие на нее силы, можно определить (скажем, с помощью уравнения Шрёдингера), как она будет выглядеть; однако невозможно исследовать волновую функцию с помощью инструментов, не вызвав при этом никаких изменений в ней, то есть ее коллапса. Когда вы измеряете положение электрона, новая волновая функция после коллапса может оказаться сильно ограниченной в пространстве или, напротив, расширенной до размеров, зависящих от неопределенности вашего измерения.

Что нужно сделать, чтобы вызвать коллапс волновой функции? Мы не знаем. Серьезно. Когда физики чего-то не понимают, они часто придумывают для этого название – просто чтобы иметь возможность обсуждать эту загадку. В нашем случае причиной, заставляющей волновую функцию коллапсировать, становится измерение. Как я только что сказал, мы не знаем, что под этим подразумевается. Обычно физики не обращают внимания на эту проблему и отговариваются знаменитой фразой Поттера Стюарта: «Я не могу описать [это]… но узнаю, когда увижу». Но факт остается фактом: мы не можем узнать это, даже когда видим. Некоторые утверждают, что для этого необходимо определенное «сознание». Это не очень помогает, поскольку мы плохо понимаем, что такое сознание. Эйнштейн высмеивал именно это утверждение, когда иронично заметил: «Вы что, правда считаете, что Луны не существует до тех пор, пока мы на нее не посмотрим?»

Эйнштейна беспокоили не только коты в коробках.

Квантовая теория противоречит теории относительности

Необязательно убивать котов, чтобы наткнуться на квантовые парадоксы. Представьте электрон, описываемый очень большой волновой функцией, которая тянется отсюда до самого Солнца. Детектируйте его, и волновая функция сколлапсирует, сразу же и мгновенно, в другую волновую функцию, по размеру не превышающую размера вашего детектора. Мы знали, что есть один электрон, и теперь знаем, что он возле Земли. Следовательно, понимаем, что он в настоящее время не на Солнце. Теория гласит, что волновая функция коллапсирует мгновенно. Согласуется ли это с нашими представлениями об относительности?

Я использовал слово мгновенно, но его значение сильно зависит от контекста. Согласно теории относительности, два отдельных события (регистрация электрона возле Земли и исчезновение его волновой функции возле Солнца) не будут одновременными во всех системах отсчета, даже если они одновременны в интересующей нас СО, связанной с детектором. Это означает, что существует система отсчета, в которой исчезновение волновой функции предшествует измерению. Более того, есть СО, в которой волновая функция присутствовала возле Солнца еще некоторое время после измерения. Таким образом, согласно правилам квантовой физики, существует система отсчета, в которой электрон, зарегистрированный у Земли, еще некоторое время может с ненулевой вероятностью находиться у Солнца. То есть мы имеем некоторый шанс зарегистрировать его там. Но это невозможно, поскольку электрон уже зарегистрирован у Земли, а он только один. (Да, мы можем организовать все таким образом, чтобы с уверенностью сказать: в системе присутствует только один электрон.) Что-то не сходится.

Очевидное объяснение этому таково: электрон на самом деле не распределенный, а точечный объект, и волновая функция всего лишь отражает наше неведение о том, где он находится в реальности. Именно так часто преподают квантовую физику, и именно так об этих вопросах думают многие действующие специалисты. Но на самом деле это неверно. Идея о том, что существует какая-то более широкая реальность, а квантовая физика просто описывает наше незнание, не что иное, как теория скрытых параметров, где настоящее, но не известное нам, положение электрона играет роль скрытого параметра. Для проверки, какая из теорий верна, было проведено немало экспериментов, и во всех до сих пор квантовая теория находила подтверждение, а теория скрытых параметров опровергалась. Это означает, что волновая функция не подчиняется теории относительности. И это внушает тревогу: теория относительности за минувшее столетие проверялась очень широко и подтверждалась множеством экспериментов. Как же разрешить конфликт между теорией относительности и квантовой физикой?

Глава 18

Подразним квантовый призрак

Загадочный вопрос с измерением, и как плохо мы исследуем квантовую волновую функцию…

[Жизнь] как коробка шоколадных конфет. Никогда не знаешь, что у каждой конфеты внутри.

Из фильма «Форрест Гамп»[184]

У волновых функций множество свойств, благодаря которым сравнение с призраком представляется более чем метафорой. Как мы уже обсуждали, коллапс волновой функции не ограничен скоростью света. Из этого следует, что в некоторых системах отсчета ее коллапс будет двигаться назад во времени. Единственная связь волновой функции с реальностью возникает, когда мы пытаемся измерить положение или энергию частицы, которую эта функция описывает. При этом, согласно квантовой физике, изменение волновой функции противоречит нашим интуитивным представлениям и на первый взгляд не соответствует понятиям о теории относительности.

Вы шокированы? Вас удивляет, что в дебрях современной физики скрывается такой зверь? Один из отцов-основателей квантовой физики Нильс Бор сказал: «Тот, кого не шокирует квантовая теория, не понял в ней ни единого слова». Ричарду Фейнману принадлежит фраза: «Можно смело сказать, что квантовую механику не понимает никто»[185]. Джон Уилер, наставник Фейнмана и один из важнейших разработчиков пути развития квантовой физики, думал точно так же: «Если квантовая механика не приводит вас в полнейшее замешательство, значит вы ее не понимаете». Роджер Пенроуз, один из ведущих современных мыслителей, работающих над философией этого раздела науки, писал: «Квантовая механика абсолютно лишена смысла»[186].

Эта безумная теория, которую невозможно понять, – квантовая физика, несмотря на свою призрачную и путаную природу, лежит в основе всей современной физики. Может быть, она эфемерна, но зато позволяет делать строгие и точные предсказания. Нужно просто не обращать внимания на ее туманные аспекты, научиться решать уравнения – и вы сможете вычислять будущее с замечательной (хотя и не исчерпывающей) точностью.

Уравнения квантовой физики, такие как уравнение Шрёдингера, позволяют вычислить, как изменится волновая функция, скажем, электрона, если вы приложите к нему ту или иную силу. Но волновая функция не электрон. Это амплитуда, это дух электрона, его призрак, его душа. Мы никаким образом не в состоянии зарегистрировать или измерить волновую функцию. Можем только рассчитать или «пощупать» ее в какой-то точке. Но когда начинаем щупать, пытаемся измерить, тут же изменяем эту волновую функцию навсегда, сразу же, необратимо и мгновенно.

Частолны и волницы[187]

Представьте, что мы поставили измерительное устройство перед волновой функцией электрона – к примеру, это может быть проводник электрического тока. Если волновая функция электрона пространственно распределена, в контакт с проводником войдет лишь ее часть. Это означает, что вероятность регистрации электрона будет невелика. Исходя из волновой функции и размеров проводника, можно рассчитать вероятность, с которой электрон попадет в этот проводник и будет измерен.

При движении электрона его волновая функция ведет себя как волна – отсюда и ее название. Волну одного электрона можно послать по двум различным не совпадающим путям одновременно, точно так же, как одна-единственная звуковая волна может прийти в оба ваши уха. Но когда электрон все же регистрируется, он выглядит как вспышка, внезапное столкновение, квант. Во многих отношениях он ведет себя при этом как частица.

Так что же такое электрон – частица или волна? Правильный ответ: ни то, ни другое. Мы можем разобраться в электроне и понять его, только если используем новый конструкт – то, что можно было бы назвать частичной волной, или волновой частицей, или еще как-нибудь. Несколько раз я устраивал среди своих студентов голосование о том, как следовало бы назвать этот конструкт: частолной или волницей? Ни один термин не выиграл голосования. Это не волна и не частица; объект обладает некоторыми свойствами того и другого, но получившаяся смесь выглядит очень странно. Движется в пространстве как волна; реагирует на измерение как частица. Это волна, способная переносить массу и электрический заряд. Она может рассеиваться, отражаться и гасить сама себя (интерферировать), как шумоподавляющие наушники гасят звуковые волны. Но если вы зарегистрировали этот объект, наблюдаете внезапное, резкое событие. Обнаруженный электрон продолжает существовать, но его волновая функция необратимо меняется. Если зарегистрируете его с помощью маленького прибора, большая до этого момента волновая функция мгновенно станет маленькой.

Сойти с ума

Первым человеком, предложившим идею корпускулярно-волнового дуализма, был сам Эйнштейн. Идея эта прозвучала в статье 1905 года, посвященной фотоэффекту; в ней описывалось, как свет выбивает электрон из металла. Эйнштейн предположил, что свет действительно представляет собой волну, но когда его регистрируют или он сам выбивает электрон из поверхности, это всегда происходит в форме вспышки – а такое поведение заставляет вспомнить скорее о частице, чем о волне[188]. Иногда это происходит мгновенно, быстрее, чем классическая электромагнитная волна могла бы донести до места достаточное количество энергии. Как отмечалось ранее, Эйнштейн сказал, что энергия светового кванта должна быть связана с частотой волны уравнением E = hf, где h – постоянная Планка, то есть число, которое Планк получил в ходе исследования свечения горячих объектов[189].

Эйнштейну в голову не приходило, что то же самое уравнение может быть применимо к электронам. Такое предположение в 1924 году высказал Луи де Бройль в докторской диссертации. Это был настоящий прорыв, сыгравший роль искры зажигания и инициировавший стремительное развитие квантовой физики. Благодаря де Бройлю выяснилось, что электроны и фотоны очень похожи; различия между ними, которые когда-то находились в центре внимания (только у одного из этих объектов есть масса покоя; только у одного есть электрический заряд), отошли на второй план. Оба они – всего лишь квантовые частицы-волны (частолны? волницы?). Произошло великое объединение физики.

За три следующих года Шрёдингер, Борн, Гейзенберг и другие выработали уравнения, описывающие реакцию этих волн на действие внешних сил. Затем Дирак[190] показал, как примирить уравнение для электрона с теорией относительности (хотя к измерительному парадоксу не обращался); он вывел для него релятивистское волновое уравнение. 1920-е годы были периодом невероятно быстрого развития, поражавшего воображение даже самих физиков.

Призрачная атмосфера квантовой физики тревожила многих ученых тогда и тревожит до сих пор. Как правило, студентам – физикам и химикам требуется не один год, чтобы привыкнуть и освоиться в этой области. Физик и математик Фримен Дайсон однажды сказал мне, что студент, привыкая к квантовой физике, проходит три стадии. На первой удивляется: как так может быть? На второй стадии научается производить нужные математические манипуляции и знакомится с невероятными возможностями квантово-физических вычислений. Математика предсказывает результаты экспериментов с поразительной точностью. Наконец, финальная стадия, по Дайсону, – это когда студент уже не помнит, что первоначально сам предмет казался ему таким загадочным[191].

Не все физики доходят до финальной стадии и достигают удовлетворения. Великим преемником Эйнштейна, на мой взгляд, был Ричард Фейнман. Больше, чем кто-либо в XX веке (возможно, за исключением Энрико Ферми), Фейнман обладал глубокой интуицией, которая вела его к необычайным озарениям и открытиям в различных областях этой науки. Но он всегда держался подальше от «интерпретации» квантовой физики. В своей яркой, бруклинской разговорной манере Фейнман предостерегал студентов: «Не спрашивайте себя постоянно: “Как так может быть?” – потому что иначе сойдете с ума и угодите в тесный тупик, из которого еще никто не выходил».

Истинная неопределенность

Ключевой особенностью новой квантовой физики стало открытие, и сегодня внушающее беспокойство студентам и профессорам. Называется оно принцип неопределенности Гейзенберга.

Даже простая попытка приписать волновые свойства электронам сразу же вызывает проблемы и противоречия с нашими классическими представлениями. Представим обычные волны на воде. Они не имеют точного местоположения; они распределены в пространстве. Возможно, вам покажется еще более удивительным, что многие волны на воде не имеют точной скорости. Бросьте камень в достаточно глубокий пруд и посмотрите, как будут расходиться волны. Какова их скорость? Может показаться, что вы узнаете их скорость, если понаблюдаете за движением какого-нибудь одного гребня. Но затем вы увидите, что этот гребень исчезает; волна на месте, но гребень, который вы выбрали, пропал! На смену ему появился другой, но появился позади того, за которым вы наблюдали. Очевидно, что это та же самая волна; она возникла только потому, что вы бросили в воду камень.

Наблюдая за волнами, физики определили, что волна, наподобие расходящихся от брошенного в воду камня или позади движущейся лодки, как правило, состоит из группы гребней и впадин. У водяных волн скорость движения отдельных гребней не совпадает со скоростью движения группы гребней как целого. На глубокой воде скорость гребня (иногда ее еще называют фазовой скоростью) вдвое превосходит скорость группы. Которую из этих двух можно считать скоростью волны? В квантовой физике, если нужно зарегистрировать частицу вдалеке от ее источника, значение имеет скорость группы (групповая скорость).

Возможно, еще больше путаницы вносит тот факт, что по мере движения волны группа расширяется. В начале движения она была совсем узенькой, но к тому времени, когда пройденное волной расстояние станет существенным, сильно расширится. Так что же такое скорость волны – скорость гребней, передней границы группы, скорость в задней части группы или средняя для всех?

Водяные волны кажутся сложными, но и частицы-волны обладают теми же странными свойствами. Их широкое строение и неоднозначность скоростей дали начало принципу неопределенности Вернера Гейзенберга. Многие считают этот принцип исключительной прерогативой квантовой физики, но это не так: он был хорошо известен в теории волн и оптике, разработанной в XIX веке задолго до того, как его предложили применить в квантовой физике.

Гейзенберг сформулировал утверждение о неопределенности. Для очень короткой и узкой волны можно точно определить местоположение, но такие волны (будь то вода или вещество) характеризуются целым диапазоном скоростей; у многих видов фронт группы волн (называемой волновым пакетом) движется не с той скоростью, с какой перемещается ее задняя часть. Измерьте скорость (обычно это делается через измерение импульса, то есть массы, умноженной на скорость), и вы получите одно из множества возможных значений. Измерьте местоположение, и вы получите любое значение в пределах ширины волны. Буквально у всех волн обнаружится некоторая неопределенность, как в скорости, так и в позиции.

В случае принципа неопределенности Гейзенберга математика в точности следует за математикой классических волн. В Приложении 5 «Математика неопределенности» это ясно показано. Математическое выражение принципа Гейзенберга, часто записываемое как ΔxΔp ≥ h/4π[192], идентично (за исключением умножения на планковскую постоянную h) уравнению, описывающему классические волны, включая водяные, звуковые и радиоволны.

Принцип неопределенности означает, что физика уже не может делать точных предсказаний. Это значит, что будущее положение частицы невозможно точно понять, поскольку для этого нужны конкретные значения как текущего местоположения частицы, так и ее текущей скорости. Более того, в сочетании с нынешними представлениями о хаосе небольшие неопределенности, порожденные квантовой физикой, стремительно увеличиваются со временем и оказывают глубокое воздействие на макроскопический мир. Согласно некоторым теориям, именно квантовой неопределенности на самых ранних стадиях Большого взрыва мы обязаны существованием галактик и галактических скоплений.

Эйнштейну не нравился аспект новой квантовой физики, связанный с неопределенностью, хотя он сам активно разрабатывал эту область. Из принципа неопределенности следовало, что физика неполна, а будущее каким-то образом определяется чем-то, помимо прошлого. Квантовая физика не могла сказать, чем именно, она лишь констатировала, что это «что-то» кажется случайным. В 1926 году Эйнштейн писал Максу Борну:

Квантовая механика действительно впечатляет. Но внутренний голос убеждает, что это еще не настоящее. Эта теория говорит о многом, но все же не приближает нас к разгадке тайны «Старика». По крайней мере, я уверен, что Он не бросает кости.

Вернер Гейзенберг вспоминает, что на какой-то конференции после аналогичного замечания Эйнштейна Нильс Бор ответил: «Не нам указывать Богу, как управлять миром»[193].

Минимальное расстояние

Существует очень маленькое расстояние – по всей видимости, минимальное из тех, которые мы можем обсуждать сколько-нибудь осмысленно. (Неясно, правда, действительно ли можем.) Расстояние это называется планковской длиной и берет начало от попыток совместить теорию вероятностей с квантовой физикой. Планковская длина приблизительно равна 1,6 × 10−35 метра.

Планковская длина – следствие принципа неопределенности, подразумевающего, что никакая небольшая область «пустого» пространства не может обладать нулевой энергией, потому что если бы это было так, энергия этой области была бы определена точно. Так что квантовая физика, как правило, приписывает крохотную энергию вакуума даже пустому во всех остальных отношениях пространству. Чем меньше рассматриваемая область, тем больше энергия вакуума. Если область достаточно мала, сочетание большой энергии в пределах малого радиуса будет удовлетворять требованиям формулы Шварцшильда, и вакуум получит микроскопическую черную дыру[194].

Судя по всему, квантовая физика и общая теория относительности вместе говорят о том, что вакуум представляет собой микроскопическую пену из крохотных, но вездесущих черных дыр. Более того, каждая черная дыра при этом испытывает очень быстрые флуктуации (появляется и пропадает) в масштабе времени, задаваемом планковским временем – временем, за которое свет проходит одну планковскую длину. Некоторые теоретики выдвигают предположение, что пространство, возможно, оцифровано, как наши компьютеры, и существует только в виде дискретных точек, разделенных приблизительно планковской длиной.

По поводу всех подобных рассуждений у меня есть одно всеохватное критическое замечание: теория здесь намного обгоняет эксперимент. В прошлом теории возникали на базе измерений и экспериментальных открытий. Если что-то имеет место, то это что-то в принципе возможно, иначе быть не может. В теории все не так: если теория что-то утверждает, это утверждение может быть как верным, так и ошибочным. Все эти новые постулаты, в которых обсуждается планковская длина, никак не связаны с экспериментальными фактами; они основываются исключительно на стремлении к математической элегантности. Если так и надо, то в физике никогда прежде ничего подобного не было. По существу, мы никак не сумели проверить общую теорию относительности в условиях сильной гравитации (она проверялась только возле слабого предела, весьма далекого от параметров черных дыр); у нас нет убедительных указаний на характеристики черных дыр (мы знаем только, что существуют массивные объекты, не излучающие видимого света); кроме того, нет экспериментального подтверждения таких явлений, как излучение черных дыр и их энтропия.

Все теоретические рассуждения вокруг этих тем вполне могут оказаться всего лишь причудливыми фантазиями. В прошлом физика развивалась совершенно иначе. Помимо традиционных четырех взаимодействий (электромагнитное, ядерное [известное как сильное взаимодействие], сила радиоактивности [известная как слабое взаимодействие] и гравитация) может существовать сколько угодно дополнительных сил, и не исключено, что сначала их придется открыть, чтобы потом иметь возможность включить их в правильную теорию.

Эйнштейн, разрабатывая единую теорию поля, угодил в ловушку: попытался объединить не те силы. Нынешние великолепные единые теории, возможно, делают ту же ошибку.

Некоторые теоретики возражают, что других сил не существует; не исключено, что они правы, но мне их рассуждения не кажутся убедительными. Гравитация – чрезвычайно слабая сила, и мы бы никогда ее не заметили, если бы не две причины: во-первых, у нее заряд только одного знака (всякая масса положительна), так что она никогда сама себя не компенсирует; во-вторых, у нее очень большая дальность действия, и потому она может ощущаться на очень больших расстояниях, поскольку сила, исходящая от множества частиц, суммируется. Любая другая столь же слабая сила с зарядами разных знаков, которые компенсируют друг друга (как обстоит дело в электромагнетизме с протонами и электронами) или с малой дальностью действия, до сих пор оставалась бы неоткрытой.

В окружающем нас мире, который мы воспринимаем органами чувств, неопределенность квантовой физики усиливается из-за явления, известного как хаос.

Неопределенность хаоса

Приведенная ниже песенка в различных вариантах известна по крайней мере с 1390 г.

Не было гвоздя – подкова пропала,

Не было подковы – лошадь захромала,

Лошадь захромала – командир убит,

Конница разбита, армия бежит.

Враг вступает в город, пленных не щадя,

Потому что в кузнице не было гвоздя[195].

Эти слова иллюстрируют глубинную суть современной теории хаоса – то, что крохотные причины во временем могут вылиться в громадный эффект. В «Парке Юрского периода»[196] напыщенный математик Ян Малкольм так описывает классический пример эффекта бабочки: если какая-то бабочка взмахнет крыльями, в Центральном парке Нью-Йорка неделей позже вместо ясной погоды пойдет дождь. В бытовом употреблении термин «эффект бабочки» возник раньше, чем появилась теория хаоса; он восходит по крайней мере к 1941 году, когда Джордж Стюарт описал его в романе-бестселлере Storm («Шторм»).

Хаос наблюдается в движении планет, в закономерностях и аномалиях погоды, в динамике демографических процессов. Математическая теория хаоса показывает, что последствия небольших изменений могут экспоненциально возрастать со временем, по крайней мере на начальном этапе. Таким образом, оказывается, что для предсказания будущего необходима бесконечная точность. В результате хотя мы можем, как правило, предсказать погоду на несколько часов, а иногда и на несколько суток вперед, мы очень плохо угадываем ее на неделю или на месяц вперед.

Однако эффекты хаоса часто имеют предел; иногда в результате система просто переключается туда-сюда между двумя очень ограниченными вариантами поведения. Экспонента не продолжается бесконечно. Сколько бы бабочки ни махали крыльями, за весной всегда следует лето. Климатические изменения требуют более серьезных воздействий, чем движения бабочек, – например, смену орбиты Земли или выброс в атмосферу миллиардов тонн двуокиси углерода. И какие бы напыщенные речи ни произносил Ян Малкольм в «Парке Юрского периода», мы понятия не имеем, может ли в реальности взмах крыльев бабочки изменить поведение грозы. Его утверждение не наука, а всего лишь пустое разглагольствование.

Теория хаоса не отрицает ни причинности, ни детерминизма. Она означает лишь, что если мы хотим знать о происходящем в долгосрочной перспективе, нужно проводить измерения с чрезвычайной точностью. В этом хаос фундаментально отличается от неопределенности Гейзенберга. В квантовой физике принципиально невозможно узнать одномоментные точные значения положения и скорости. По существу, эти числа вообще не существуют до момента измерения.

Совместив теорию хаоса и квантовую неопределенность, мы приходим к выводу, что крохотная квантовая неопределенность может повлиять и на макроскопическое поведение. Возможно, даже моя свободная воля определяется какими-то квантовыми вариациями в нескольких атомах, которые пробиваются на самый верх в хаотической цепочке, попадают в мою нервную систему и запускают модель поведения, совершенно неожиданную и необъяснимую для друзей и родных, а порой и для меня самого.

К несчастью, в мире развлечений значение теории хаоса часто очень сильно преувеличивается. В реальных физических системах хаос, как правило, работает в довольно узких рамках. Орбита Земли меняется хаотично, но изменения эти очень малы; они не принимают чрезвычайных размеров, по крайней мере за миллиарды лет. Мы продолжаем летать вокруг Солнца по орбите, очень близкой к круговой (с точностью до нескольких процентов). Пока никому еще не удалось определить, действительно ли взмах крыла бабочки может запустить какой-нибудь крупный процесс или дело ограничится небольшими, локальными хаотическими процессами.

Фильм «Парк Юрского периода» полон преувеличений и неверных интерпретаций хаоса. (Роман несколько более разумен.) Малкольм предупреждает: «Понимаете, тираннозавр не подчиняется заранее установленным стандартам и не следует расписаниям; [его поведение – это] само олицетворение хаоса». Он с важным видом заявляет, что динозавров невозможно содержать в неволе, и утверждает, что подобный вывод следует из теории хаоса.

Это заявление – полная чепуха. Лучший контраргумент против преувеличений Малкольма принадлежит научному консультанту фильма палеонтологу Джеку Хорнеру. Он указывает, что проблемы с динозаврами, которых невозможно удержать, в фильме вызваны не неизбежностью их экспоненциально хаотичного поведения, а плохой организацией содержания этих животных. Львы, тигры и медведи редко вырываются из зоопарков; и нет ничего неизбежного в том, что из клеток и вольеров сбегают динозавры. Все неприятности можно было предотвратить, если бы герой фильма Джон Хэммонд, построивший парк, нанял специалиста по содержанию животных в зоопарке[197].

Скелет в квантовом шкафу

Ничего не может быть неприятнее для физика, чем наша полная неспособность определить, что подразумевается под измерением. Мы усмехаемся, когда рассказываем студентам про кота Шрёдингера, но в глубине души понимаем, что эта история не повод для смеха. Когда мы не в состоянии честно ответить на вопросы студентов про кота, то уходим от ответа; мы всего лишь следуем совету Фейнмана и избегаем думать об этом, опасаясь сойти с ума.

Существуют целые книги, отдельные главы, конференции и эссе, посвященные теории измерений. Google дает на этот запрос 239 миллионов ссылок; Bing – 17,8 миллиона. Эти результаты могут любого ввести в заблуждение и дать понять, что такая теория существует. Если порыться как следует, то обнаружится, что на самом деле в наличии только набор мыслей, многие из которых противоречат друг другу и ни одна из которых не привела до сих пор к удовлетворительному выводу.

Один из возможных вариантов гласит, что для достоверного измерения необходим человек – разумная, сознающая себя, мыслящая душа. Именно на эту идею нападал Шрёдингер, придумывая историю с котом. Вы можете всерьез поверить, что кот одновременно мертв и жив до тех пор, пока человек не заглянет в коробку? Мартин Рис[198] удачно спародировал замечательную идею о том, что никакое измерение нельзя считать свершившимся фактом, если в нем не задействован человек. Он сказал:

Вначале были только вероятности. Вселенная могла возникнуть только в том случае, если кто-то за ней наблюдал. Неважно, что наблюдатели объявились на несколько миллиардов лет позже. Вселенная существует только потому, что мы знаем о ее существовании.

Мне это высказывание Риса кажется карикатурой на эгоистичное представление человека о том, что всякое измерение требует его участия; это же представление высмеивал Эйнштейн, когда говорил, что Луны не существует, пока мы на нее не посмотрим, и его же пытался высмеять Шрёдингер своей кошачьей историей.

Роджер Пенроуз[199] предполагает, что Вселенная сама проводит измерения. В нормальных условиях мы их не замечаем, потому что они происходят не мгновенно; на это требуется некоторое время. Луне не нужен Эйнштейн, который бы на нее смотрел; она находится достаточно далеко, чтобы Вселенная каким-то образом сделала ее реальной прежде, чем Эйнштейн бросит на нее взгляд. Пенроуз называет это объективной редукцией[200], или объективным коллапсом. Он считает, что это происходит «всякий раз, когда существенно расходятся две геометрии пространства-времени и, следовательно, два варианта гравитационных эффектов». Мне кажется, Пенроуз на верном пути, но его теория нуждается в количественных оценках; она должна что-то предсказывать. Что-то ведь заставляет волновые функции коллапсировать задолго до того, как они доберутся до людей. Я не знаю, что именно вызывает этот эффект, и не знаю также, сколько времени на это потребуется. Пенроуз тоже не утверждает, что ему это известно; он всего лишь указывает направление. Мудрая мысль очень ценна, но к сложным физическим вопросам следует подходить, вооружившись экспериментами. Исследования запутанных переменных (о них в следующей главе) позволяют предположить, что этот волшебный временной интервал равен как минимум одной миллионной доле секунды, по крайней мере в лаборатории.

Еще одна попытка разобраться с загадкой измерений называется многомировой интерпретацией[201]. Об этом мы тоже поговорим в следующей главе.

До сих пор произошел лишь один великий экспериментальный прорыв – такой, что вносит в вопрос намного больше ясности, чем любая склока среди многочисленных теоретиков. Стюарт Фридман и Джон Клаузер опубликовали свое открытие в 1972 году. Их работа доказала, что Эйнштейн был неправ.

Глава 19

Эйнштейн повержен

Убеждение Эйнштейна, что квантовая физика ошибочна, опровергнуто с помощью ключевого эксперимента…

Все, что мы называем реальным, состоит из вещей, которые невозможно рассматривать как реальные.

Нильс Бор, отец-основатель квантовой физики

Есть многое в природе, друг Горацио,

Что и не снилось нашим мудрецам.

У. Шекспир, «Гамлет»[202]

Эйнштейн в свое время нашел верное слово: spooky[203]. Говорил он при этом о квантовой физике, в которой присутствовало кое-что, что сам он считал невозможным. Обычная квантовая физика, на первый взгляд, требовала, чтобы волновые функции изменялись со скоростью быстрее скорости света. А этого быть не могло. Оказалось, однако, что это все же верно. Эксперименты показывают, что такое на самом деле происходит, а если что-то происходит, то оно наверняка возможно.

Решающий эксперимент провели Стюарт Фридман и Джон Клаузер в Калифорнийском университете, Беркли. Помню, какое благоговение я испытывал по отношению к их невероятно сложному проекту. Эксперимент требовал величайшей тщательности, потому что любой полученный результат способен был разрушить целый класс разнообразных теорий и оскорбить множество теоретиков. Стюарт, с которым мы подружились достаточно близко, любил шутить, что ничего не открывал: он лишь доказал, что другие физики ошибаются. Ну, тогда достаточно сказать, что ученым, ошибочность утверждений которого он доказал, был Эйнштейн; я считаю это немалым достижением.

Одно из возражений Эйнштейна против квантовой физики заключалось в неприятном свойстве мгновенного коллапса волновой функции. Он называл такой коллапс и другие внезапные изменения жутким дальнодействием[204]. Измерение положения частицы могло, согласно копенгагенской интерпретации, сразу же, мгновенно повлиять на амплитуду частицы, находящейся от измеряющего на расстоянии в несколько световых лет. Ранее Эйнштейн в своей теории относительности показал, что сама концепция мгновенности и одновременности бессмысленна для разделенных объектов. Даже порядок, в котором происходят события, может зависеть от системы отсчета. Это означало, что если одно событие вызывает другое, то в другой СО событие-причина может происходить после события-результата (как в моем парадоксе с тахионным убийством). Эйнштейн исследовал эту проблему в эпохальной работе, написанной с соавторами – Борисом Подольским[205] и Натаном Розеном[206], и их анализ позже получил известность как парадокс Эйнштейна−Подольского−Розена, или ЭПР-парадокс[207] (по заглавным буквам фамилий авторов).

Конечно, у этого парадокса было и простое решение, к которому, собственно, и склонялся сам Эйнштейн. Он предложил иную интерпретацию волновой функции. Это не физический объект, говорил он, представляющий реальность целиком, но всего лишь статистическая функция, отражающая недостаточность и недостоверность наших знаний. Эйнштейн считал, что электрон всегда занимает вполне реальное, но скрытое положение, и квантовая физика просто не знает, что это за положение. Никакие реальные волны не исчезают; никакой коллапс не нужен. В квантовой физике просто недостает некоторого скрытого параметра (к примеру, это может быть реальное положение частицы в пространстве). Добавить его – и физика вновь станет полной, и прошлое вновь полностью определяет будущее.

Аналогию такого подхода можно найти в наших представлениях о газах. Мы не знаем, где находится каждая молекула газа, но у нас есть теория, описывающая свойства частиц в среднем. Давление, которое мы измеряем, и температура – это всего лишь средние значения характеристик громадного числа молекул. Это статистическая теория. Уравнение состояния идеального газа[208] – закон, связывающий давление газа с его объемом и температурой, – представляет собой именно такое статистическое усреднение. Мгновенное давление, измеренное как сумма ударов большой группы молекул в стенку, может выглядеть и иначе, в чем можно убедиться с помощью броуновского движения. Так и в квантовой физике, считал Эйнштейн. Он был уверен, что подлинная теория – это скрытые параметры, а квантовая физика – всего лишь статистическая сумма.

Позже парадоксом ЭПР занялся Джон Белл[209]. Он доказал, что теории скрытых параметров не в состоянии воспроизвести все предсказания квантовой физики. Это означало, что и квантовая теория, и теория скрытых параметров были сфальсифицированы. Проведя соответствующий эксперимент, можно определить, какая из двух верна. Белл проанализировал ситуацию, когда две частицы испускаются в противоположных направлениях (такую схему предложил еще Дэвид Бом[210]), и объявил, что хороший экспериментатор мог бы определить, какой из подходов справедлив – копенгагенская интерпретация или теория скрытых параметров, – с помощью условия, которое сейчас называется неравенством Белла[211]. Работа Белла вдохновила Джона заняться поисками эксперимента, способного продемонстрировать толпе поклонников копенгагенской интерпретации, что теория скрытых параметров, то есть Эйнштейново объяснение квантового поведения, верна.

Убийца теории скрытых параметров

Джон Клаузер был молодым физиком-теоретиком, которого только что взял на работу в Калифорнийский университет один из изобретателей лазера Чарльз Таунс[212]. Клаузер сказал Таунсу, что хочет экспериментально продемонстрировать ситуацию, в которой теория скрытых параметров лучше всего объясняет физические результаты, а копенгагенская интерпретация неверна. Таунс проконсультировался с Юджином Комминсом – профессором, разработавшим экспериментальные методы наблюдения явления, которое мы сегодня называем запутанностью, и они договорились совместно поддержать задуманное исследование. Большую часть практической работы должен был проделать аспирант Комминса Стюарт Фридман.

Фридман и Клаузер планировали поискать результат действия скрытых параметров в фотонном излучении, испускаемом группой атомов кальция; именно такой выбор объектов предложил им Эйвинд Вихман – великий теоретик, всегда, кажется, чуравшийся споров (это мое мнение). Исследователи собирались измерить поляризацию – то есть ориентацию двух фотонов, испущенных одним и тем же атомом кальция. Эти фотоны должны быть схожи, но сходство, предсказанное квантовой теорией, отличается от аналогии, прогнозируемой теорией скрытых параметров. Чуть позже я покажу это более подробно.

Я знал и Фридмана, и Клаузера (я тогда был в Беркли сначала аспирантом, а затем научным сотрудником), и мне этот их проект представлялся устрашающе сложным. Опущу это и буду считать, что оба фотона, излученные кальцием, обладают не просто схожей, а идентичной поляризацией. Я буду считать также, что все фотоны вылетают из одной и той же точки, а атомы не двигаются (в реальном эксперименте это не так). Еще возьму за аксиому, что два интересующих нас фотона излучаются в строго противоположных направлениях, а оптическая схема проста и не подвержена аберрациям. Пусть внешнее возбуждение атомов с целью заставить их излучать фотоны не дает никакого дополнительного излучения, которое могло бы привести к зашумлению детекторов, и никаких случайных или паразитных отражений тоже нет. Я буду считать также, что детекторы регистрируют фотоны со 100 %-ной надежностью вместо реальных 20 %. Эти упрощения позволят точно отобразить суть эксперимента, хотя он покажется обманчиво простым (по крайней мере, куда более простым, чем на самом деле).

Согласно теории скрытых параметров (с моими упрощениями), два фотона, испущенные кальцием, разлетятся в противоположные стороны, но с одинаковой, хотя и неизвестной, поляризацией. Под поляризацией подразумевается пространственная ориентация электрического поля фотона; она перпендикулярна направлению его движения, но может быть вертикальной, горизонтальной или промежуточной. Многие солнечные очки снабжаются фильтрами, которые не пропускают горизонтально поляризованный свет – именно такой отражается от горизонтальных поверхностей и бликует. Если вы повернете свои очки на 90°, то (если очки хорошие) все горизонтально поляризованные блики будут проходить сквозь них и вы увидите множество бликов. Поверните очки на 45°, и сквозь них пройдет половина. Кроме того, поляризующие очки использовались для просмотра 3D-фильмов; в них один глаз видел только горизонтальный свет, а другой глаз – только вертикальный. Если проецировать на экран две по-разному поляризованные картинки, каждый глаз будет видеть свое изображение, что и даст в целом 3D-эффект[213]. Вне кинотеатра такие очки работали бы плохо – они же отсекают блики только для одного глаза.

Вернемся к эксперименту Фридмана−Клаузера. Представьте, что два фотона разлетаются от атома кальция в противоположных направлениях. Вы помещаете с обеих сторон по детектору и ставите перед каждым поляризатор. Ориентируете поляризаторы перпендикулярно один к другому. Если оба фотона поляризованы вертикально, то только передний пропустит свет и только передний детектор что-то зарегистрирует. Если оба фотона поляризованы горизонтально, то что-то зарегистрирует только задний детектор. Если оба фотона имеют поляризацию под углом 45°, у каждого детектора будет 50 %-ный шанс на обнаружение соответствующего фотона. То есть для таких «наклоненных» фотонов существует 25 %-ная вероятность, что оба детектора одновременно зарегистрируют по фотону[214].

Поразительно, но это предсказание теории скрытых параметров, а не квантовой физики. В квантовой физике «наклоненный» фотон содержит две компоненты (амплитуды) – для вертикальной и горизонтальной составляющих поляризации. Эти две амплитуды – как для мертвого и живого кота; ситуация представляет собой не какую-то промежуточную смесь, а суперпозицию двух возможностей. Когда один фотон попадает в поляризатор – скажем, вертикальный, – проходит сквозь него и регистрируется, амплитуда второго фотона мгновенно меняется. Горизонтальная компонента его волновой функции исчезает – коллапсирует, оставляя одну только вертикальную компоненту. А поскольку второй детектор горизонтальный, фотон сквозь него не пройдет.

Каким бы ни был угол поляризации, как только один из двух фотонов обнаружен, волновая функция мгновенно схлопывается, и поляризация второго фотона уже никогда не сможет пройти сквозь второй поляризатор, перпендикулярный первому. То есть результат будет одинаковым вне зависимости от угла поляризации. Вывод: вы никогда не получите совпадения! Таково квантовое предсказание для этого идеализированного эксперимента. Теория скрытых параметров предсказывает, что при усреднении по всем углам 12,5 % результатов должны составить совпадения.

Предположим, что два наши поляризатора располагаются на расстоянии в несколько – а может, и в миллион – километров друг от друга. В квантовой теории, как только один фотон обнаружен, одна из амплитуд обязательно коллапсирует, исчезнет, мгновенно, всюду, даже за миллион миль от этого места. Именно это Эйнштейн называл жутким дальнодействием.

Более того, если оба поляризатора вертикальны, квантовая теория предсказывает, что любое событие даст совпадение. Половина фотонов пройдет сквозь поляризатор, но всякий раз при прохождении первого фотона второй поляризатор тоже будет пропускать свой фотон. Классическая теория предсказывает, что многие фотоны не дадут совпадений; к примеру, если угол поляризации составит 45°, лишь 1/4 событий пройдут сквозь оба поляризатора и, соответственно, регистрацию на обоих детекторах.

Фридман и Клаузер опубликовали эти результаты в 1972 году. Квантовая теория и копенгагенская интерпретация верно предсказали экспериментальные результаты. Теория скрытых параметров была опровергнута. Этого было почти достаточно, чтобы заставить поверить в привидения. К несчастью, в 1955 году Эйнштейн умер. Жуткое дальнодействие удалось наблюдать в лаборатории. Убедительно.

Клаузер был удручен. По версии Брюса Розенблюма и Фреда Каттнера (Кюттнера) (приведенной в их книге Quantum Enigma [ «Квантовая загадка»]), Клаузер сказал: «Мои собственные… тщетные надежды об опровержении квантовой механики были разбиты вдребезги этими данными».

Фридман и Клаузер показали, что Эйнштейн ошибался. Очень мало кому в нашем мире это удалось. Их работу продолжил и усовершенствовал Ален Аспе[215]; ему удалось разобраться с некоторыми возможными прорехами, на которые указали скептики-квантоненавистники. Розенблюм и Каттнер однозначно заявили, что, по их мнению, эта работа достойна Нобелевской премии. Я с ними согласен. Фридман и Клаузер экспериментально проверили копенгагенскую интерпретацию – фундаментальное предположение квантовой физики; ученые выяснили, что она лучше подхода, связанного со скрытыми параметрами; кроме того, они вместе с Комминсом положили начало современному увлечению таким явлением, как квантовая запутанность. Подозреваю, что их эксперимент не привлек более широкого внимания только потому, что большинство физиков просто не заморачивались этой проблемой. Они изо всех сил старались не думать об этом, чтобы не сойти с ума.

Запутанность

Эксперимент Фридмана−Клаузера – самый яркий пример явления, широко известного в настоящее время как запутанность. Регистрируются две частицы, находящиеся далеко друг от друга, но имеющие общую волновую функцию. Можно сформулировать и иначе: их индивидуальные волновые функции (если вам нравится представлять их отдельными) спутаны между собой. В момент регистрации частицы могут находиться одна от другой на расстоянии метр, 100 метров или 100 километров, но регистрация одной из них мгновенно повлияет на регистрацию второй. Это моментальное дальнодействие – нелокальное поведение, не похожее ни на один из вариантов, которые можно было увидеть в прежних теориях.

Положение о том, что электрическое, магнитное и гравитационное поля не могут меняться быстрее скорости света, как и надлежит в соответствии с принципом причинности, никуда не делось. Однако квантовое дальнодействие скрыто в волновой функции или каком-то другом призрачном квантовом свойстве, незаметно присутствующем за кулисами. Дальнодействие происходит мгновенно, несмотря даже на то, что, согласно Эйнштейну, мгновенно (или даже одновременно) в разных системах отсчета может означать разные вещи.

Нам не нужны непременно две частицы, чтобы квантовая физика нарушала законы относительности. Это происходит и в том случае, когда волновая функция одиночного электрона коллапсирует бесконечно быстро при его регистрации. Но термин запутанность обычно приберегается для случаев, когда волновая функция содержит две или более частиц. Мне кажется, это потому, что случай с двумя частицами представляется более вопиющим.

Если бы Эйнштейн был жив, когда Фридман и Клаузер опубликовали свои результаты, думаю, их эксперимент убедил бы его. Великий ученый понял бы, что скрытые переменные не заслуживают его любви, а копенгагенская интерпретация верна. Он убедился бы в этом, но был бы страшно расстроен. Эйнштейн все-таки жаловался, что копенгагенская интерпретация говорит о неполноте квантовой физики. Абсолютно полное знание прошлого не позволяет верно предсказать будущее. Должна существовать теория получше.

Позже я постараюсь доказать, что не только квантовая теория неполна, но и вся физика, а возможно, и вся наука вообще, фундаментально неполна.

Связь быстрее света

Интересно, можно ли использовать коллапс волновой функции для передачи мгновенных сигналов на произвольные расстояния? Реально ли применить двухфотонный метод Фридмана−Клаузера, чтобы переслать информацию от одного поляризационного устройства к другому быстрее скорости света? Думая об этом, многие полагают, что должен существовать какой-то способ. Не исключено, что я мог бы подать какой-то сигнал, просто пытаясь зарегистрировать один из этих фотонов – или наоборот, не предпринимая такой попытки. Но если поразмыслить об этом как следует, станет понятно, что передать какой бы то ни было сигнал таким образом невозможно. На удаленном детекторе половина фотонов все же будет наблюдаться, но человек в этой локации не сможет получить из них никакой информации. Зарегистрированные фотоны будут выглядеть как случайная выборка из всех прибывающих фотонов. У удаленного экспериментатора не будет никакой возможности понять, что результаты его измерений каким-то образом коррелируют с вашими.

Вероятно, я мог бы отправить сообщение, изменив ориентацию своего поляризатора? Нет, это не работает. Обнаруженные в удаленной локации фотоны все равно будут казаться случайными. При этом они не случайные на самом деле; они будут коррелировать с фотонами, которые регистрирую я, а их характеристики зависят от ориентации моего поляризатора, но выглядеть они все равно будут как случайные. Попытка передать таким образом информацию терпит неудачу, потому что экспериментаторы никак не могут контролировать момент регистрации частицы.

Все попытки разобраться, как использовать коллапсирующую волновую функцию для мгновенной передачи сигнала, до сих пор провальны. Попытайтесь сами придумать такой способ – но не тратьте на это слишком много времени. Сегодня мы точно знаем, что ваши усилия ни к чему не приведут. В 1989 году была доказана теорема о невозможности передачи информации[216], которая показывает, что если правила квантовой физики и копенгагенская интерпретация верны, то невозможно передать какую бы то ни было информацию с использованием коллапса волновой функции – ни со сверхсветовой скоростью, ни с какой-то иной.

Интересно, смягчила бы эта теорема возражения Эйнштейна против квантовой теории? Она показывает, что никакая измеримая величина не нарушает законов относительности; это возможно только для волновой функции, которая измерению не поддается. Подозреваю, что это его не успокоило бы. Присутствие в теории какой бы то ни было структуры, нарушающей принципы относительности, внушает опасение, даже если эта структура необнаружима. Кроме того, никуда не делась неполнота квантовой теории; она по-прежнему содержит элемент случайности (Бог бросает кости), подрывающий физику, по твердому убеждению Эйнштейна.

Работа над теорией измерений продолжается. В главе 21 я рассказываю про теорему о запрете клонирования, которая гласит, что невозможно продублировать неизвестную волновую функцию, не разрушив ее. Это не позволяет нам изготовить несколько тысяч копий одной и той же волновой функции, а потом исследовать их последовательно чуть разными способами, чтобы подробно разобраться в структуре этой волновой функции. Такая структура находится за рамками наших измерительных возможностей. Именно поэтому волновая функция навсегда останется призрачной.

«Костыли»

Долгое время в начале своей карьеры я твердо знал, как нужно поступать с жутким дальнодействием. Я просто верил, что волновая функция – это костыль, нечто определенно полезное при размышлениях о квантовой физике, но, вообще говоря, ненужное. Хотелось думать, что когда-нибудь будет создана теория, позволяющая обойтись без нее, – теория, в которой вообще не будет коллапсирующей волновой функции. Однако эксперимент Фридмана−Клаузера безжалостно разрушил мои надежды. Регистрация на одном поляризаторе влияет на регистрацию на втором, несмотря на то, что эти два события не «связаны» скоростью света, и несмотря даже на то, что происходят они невероятно далеко – поэтому ответ на вопрос, которое из двух событий произошло первым, зависит от выбора системы отсчета. Жуткое дальнодействие – не просто составная часть теории: это составная часть реальности.

«Костыли» в физике известны давно. Это концепции, которые были введены специально, чтобы облегчить первоначальное понимание и принятие какой-то теории, но позже отставлены как ненужные и, возможно, внушающие ложные представления. Джеймс Максвелл в своей электромагнитной теории представил, что пространство заполнено крохотными механическими шестеренками, передающими радиоволны и свет. Может быть, Максвелл действительно так себе это представлял. Или для него это был всего лишь удобный способ передать концепцию электромагнетизма другим физикам, прекрасно разбиравшимся в механике, но недолюбливавшим новомодную абстрактную концепцию «поля», которое распространяется по пустому в остальном пространству.

Сегодня на оригинальные диаграммы Максвелла ссылаются разве что для развлечения, чтобы показать студентам: смотрите, даже великий теоретик может рисовать глупые картинки. Но если свет – это волна, то что выступает в роли ее переносчика? В какой среде эта волна распространяется? Вскоре был придуман новый «костыль» – эфир, вещество, колеблющееся при распространении электромагнитных волн. Концепция эфира была скомпрометирована в 1887 году, когда Майкельсон и Морли не сумели обнаружить эфирный ветер. Эйнштейн в теории относительности показал, что подобное движение зарегистрировать невозможно, потому что скорость света постоянна и одинакова во всех направлениях. В каком-то смысле эфир похож на квантовую волновую функцию: его тоже невозможно наблюдать.

В нынешней квантовой теории по-прежнему полно мгновенно коллапсирующих волновых функций. Пользы от них никакой; увидеть или еще как-то зарегистрировать их нельзя; использовать для передачи информации невозможно. Создается впечатление, что какой-то космический цензор тщательнейшим образом отделяет их от настоящей реальности. (Если помните, в главе 7 я рассказывал о цензуре черной дыры, которая разрешает время «за пределами вечности».) Думаю, в один прекрасный день мгновенно коллапсирующие волновые функции окажутся ненужными для расчетов – и будут забыты. И этот день еще не настал, поскольку мы пока не нашли способа проводить расчеты без них[217].

Но эксперимент Фридмана−Клаузера позволяет предположить, что проблема причинности никуда не денется вне зависимости от использования или неиспользования волновых функций. Результаты одного эксперимента могут повлиять на результаты другого, далекого эксперимента со скоростью, превышающей скорость света.

Чем так неприятно жуткое дальнодействие

В стандартной квантовой физике – в копенгагенской интерпретации – имеется жуткое дальнодействие. И что? Никакие предсказания, сделанные этой теорией для экспериментов, не нарушают принципов относительности. Так кого это волнует? С одной стороны, это волнует меня. Лишь немного утешает то, что мгновенный коллапс невозможно использовать для сверхсветовой передачи сигналов. И многие другие физики со мной согласны. Вот почему они продолжают посещать конференции по «основам физики». Они подозревают: что-то не так, и давно не так. Ради потенциально великого открытия они даже готовы рискнуть «сойти с ума».

На одной из недавних таких конференций было предложено проголосовать за ту интерпретацию квантовой физики, которая им лично больше нравится. Примечательно, что за копенгагенскую интерпретацию проголосовали ни много ни мало 42 %[218]. Следующей по числу поддержавших оказалась информационная интерпретация, за которую отдали свой голос 24 %. Одобрение интригующей идеи, известной как многомировая интерпретация, снизилось до 18 %. Еще менее популярной оказалась тема, упомянутая в главе 18, – объективный коллапс Пенроуза, где Вселенная непрерывно измеряет сама себя; ее приняли всего 9 % участников. (Именно эта идея получила бы мой голос.)

Поразительно, что даже на конференции, где собираются ученые, наиболее глубоко размышляющие над этими вопросами, копенгагенская интерпретация оказалась вне конкуренции. Несмотря на свой жуткий характер, она пока выдерживает испытание экспериментами.

В самом деле, некоторые из альтернативных интерпретаций выглядят не менее жутко. Немало внимания привлекает многомировая интерпретация (несмотря на ее скромное положение в опросе) – возможно, потому, что имеет значительно более яркое название, чем все остальные. Она утверждает просто, что волновые функции никогда не схлопываются; в парадоксе с котом Шрёдингера существуют оба варианта будущего. На рисунке показаны два мира, но «на самом деле» их бесконечное число, поскольку пленка расщепляется постоянно с интервалом в одну неизвестно какую, но очень-очень-очень маленькую долю секунды.

Мне этот сценарий кажется не менее жутким, чем бесконечно быстрый коллапс волновой функции. В каком из множества миров и бесконечного числа Вселенных я живу? Каким-то образом моя душа выбирает всего один из невероятного множества вариантов. Но кто-то другой, возможно, движется по совершенно иной траектории – и в той Вселенной я тоже есть. А я скорее готов принять дальнодействие, чем согласиться с тем, что одновременно существую в бесконечном числе Вселенных.

Или мне просто отказывает воображение? Может быть. Но единственная потенциальная ценность этой многомировой картинки – немного задобрить мое воображение; сама теория абсолютно непроверяема. Она не позволяет сделать каких бы то ни было предсказаний, отличающих ее от копенгагенской интерпретации. Тем не менее некоторые из ее сторонников, в первую очередь Шон Кэррол, говорят, что она самоочевидна. Ее приверженцы убеждены, что она просто отражает уравнения и избавляет от необходимости разбираться со смыслом измерения. Делая это, она вводит совершенно новую концепцию: то, что каждый из нас существует во множестве миров, но воспринимает только один. Не знаю, покажется ли вам такой вариант жутким. Мне лично кажется[219].

Вычисления с призраками

В прошлом, когда работали Фридман и Клаузер, область квантовых измерений физики в основном игнорировали. Но в последнее время эта сфера стала вызывать горячий интерес и получать финансирование не только от Национального фонда развития науки и Министерства энергетики, но и от Министерства обороны, ЦРУ и Агентства национальной безопасности. Причина – в фантастическом потенциале квантовых вычислений.

Суть квантовых вычислений в том, что можно хранить информацию и манипулировать ею в волновых функциях. Отказ от использования обычных бит с их жестким ограничением – нуль или единица – и переход к использованию вместо них кубитов, каждый из которых представляет собой квантовую амплитуду, дает громадные преимущества. Кубитом можно манипулировать, его можно использовать в расчетах. В каком-то смысле он содержит намного больше информации, чем обычный бит[220]. Рассмотрим, к примеру, квантовую волновую функцию в эксперименте Фридмана−Клаузера. Отношение двух амплитуд поляризации аналогично классическому углу поляризации, который может принимать любое значение от 0 до 90 градусов. Это намного больше информации, чем хранение простого бита – 0 или 1. Этот кубит – суперпозиция двух состояний, и информация кроется в их отношении. Загвоздка в том, что число это извлечь невозможно. Можно только получить вероятность того, что поляризация ориентирована в направлении верх-низ или право-лево.

Волновую функцию невозможно измерить, а можно только «взять ее пробу» (и вызвать тем самым ее коллапс), но это не означает, что с ее помощью невозможно проводить вычисления. Волновые функции испытывают на себе действие внешних сил и взаимодействий, поэтому ими можно манипулировать и ничего не измеряя. К примеру, хотя поляризацию можно измерить лишь с некоторой вероятностью, волновую функцию поляризации можно вращать со сколь угодной точностью. Фокус в квантовых вычислениях состоит в том, чтобы проводить все манипуляции с невидимой волновой функцией, хранимой в кубитах, и только потом, когда вычисление завершено, измерить. Полученный при этом конечный ответ, вполне возможно, удастся представить в виде всего нескольких кубитов, даже если само вычисление достаточно объемно.

Представьте, что у вас имеется очень большое число – пусть в нем будет, скажем, 2048 знаков, – и вы хотите разложить его на простые множители. (Разложение на простые множители [факторизация] – ключ к взлому некоторых весьма продвинутых систем шифрования [например, RSA[221] ].) Вас не интересуют все те попытки разложения, которые не дают результата; все, что вам на самом деле нужно, это два числа, примерно по 1024 знака каждое, которые, собственно, и станут делителями вашего числа. Это надежда квантовых вычислений; именно по этой (отчасти) причине разведывательные агентства выделяют деньги на исследования и развитие. Квантовые вычисления потенциально помогают проводить невероятно сложные расчеты параллельно. Кроме того, их в принципе можно выполнять без выделения тепла. В обычном компьютере всякий раз при перекидывании бита с места на место выделяется некоторое минимальное количество теплоты[222]. Но при квантовых вычислениях ваша машина генерирует тепло только в момент финального измерения кубита.

Будут ли квантовые вычисления иметь успех? Я в этом смысле настроен пессимистично. Кое-какие простые расчеты (разложение 6 как 2 × 3, разложение 15 как 3 × 5) уже удалось провести, но организовать таким образом сложные вычисления намного труднее. Мало того, пессимистично настроен не только я; многие из тех, кто усердно трудится в этой области, в глубине души тоже настроены скептически. Тогда почему они этим занимаются? Думаю, причина в том, что их буквально завораживают вопросы квантовых измерений. Благодаря этому у них наконец появились деньги на исследования того, что происходит при манипулировании квантовыми системами и при их измерении. Уже появились чудесные новые постулаты, такие как теорема о невозможности передачи информации с помощью запутанных квантовых частиц; ее можно было доказать еще в 1940-е годы. И если их работа приведет к прорыву в наших представлениях о квантовом измерении, результатом всего этого может стать очередная революция в физике.

Глава 20

Вот и путешествие назад во времени

Открыт позитрон – позже Фейнман определил его как электрон, движущийся назад во времени…

Так, если мои расчеты верны, то, когда эта малышка разгонится до 88 миль в час,… ты такое увидишь, Марти!

Д-р Эммет Браун при запуске машины времени в фильме «Назад в будущее»[223]

Нечто, выглядевшее как электрон с неправильным зарядом (положительным, а не отрицательным), было открыто 2 августа 1932 года Карлом Андерсоном[224]. В своей статье он назвал эту частицу позитроном и объяснил ее как антивещество, предсказанное Полем Дираком годом ранее. Через 17 лет Ричард Фейнман предположил, что обнаруженная Андерсоном частица представляет собой электрон, движущийся назад во времени.

Андерсон использовал камеру Вильсона (туманная камера) – устройство, регистрирующее стремительный пролет электронов и протонов с помощью частиц жидкости, которые конденсируются из пара на их пути следования; на фото, которое он сделал, эти частицы выглядят как маленькие черные точки. Позитрон входит снизу, проходит сквозь тонкий свинцовый лист, после чего выходит сверху. Его маршрут искривляется, потому что Андерсон поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле. След (трек) пролетевшей частицы загибается влево: это свидетельствует о ее положительном заряде, как у протона, – но то, как трек загибается, говорит, что частица гораздо легче протона. В верхней части изображения кривизна следа больше – это означает замедление частицы, то есть подтверждает, что она прилетела снизу.

Описание этого события как пролета обычного электрона, движущегося назад во времени, может показаться странным, однако именно такой подход стал стандартным при рассмотрении подобных частиц в продвинутых квантовых вычислениях. Придумал его Ричард Фейнман. Движение назад во времени стало одним из обычных инструментов, и многие физики пользуются им практически ежедневно. В ходе изучения продвинутых курсов по квантовой физике студентов учат пользоваться методами с обратным ходом времени. Даже в «простых» вычислениях, таких как столкновение двух электронов, фигурируют частицы (как правило, фотоны), движущиеся назад во времени.

Никто не решился бы без убедительных причин вводить в расчеты движение назад во времени. В этом случае одной из убедительных причин стала нелепая теория позитрона, предложенная Дираком незадолго до работы Фейнмана.

Самая абсурдная теория этой книги

Когда Андерсон увидел свой позитрон, ему и в голову не пришло, что это может быть электрон, движущийся назад во времени. Он считал, что это пузырек, пустота, движущаяся дырка в бесконечном море отрицательных электронов, густо заполняющих пространство. Я серьезно. Как бы абсурдно это ни звучало, именно такое предсказание хотел подтвердить Андерсон своим экспериментом. Идея принадлежала не Андерсону; это была концепция Поля Дирака – человека, которому удалось объединить новые квантовые идеи (о том, что электрон представляет собой волну) с эйнштейновской теорией относительности (хотя к вопросу о мгновенном коллапсе волновой функции он не обращался).

Уравнение Шрёдингера не было релятивистским; оно не включало в себя никакие эффекты, фигурировавшие у Эйнштейна в теории относительности. Дирак же попытался создать релятивистскую квантовую теорию электрона и выбрал для этого подход, который показался ему логичным и прямолинейным. Он сформировал представление о том, как должно выглядеть нужное уравнение (в частности, решил, что в нем должна присутствовать простая зависимость от времени), а затем занялся проработкой математики. Математическая часть, кстати сказать, оказалась на удивление сложной, ее с трудом понимает до конца даже продвинутый аспирант-физик. Но цель Дирака – добиться, чтобы зависимость от времени осталась простой, – была выполнена.

Уравнение, выведенное Дираком, работало необычайно хорошо. Без всяких дополнительных параметров и коэффициентов оно автоматически содержало ранее известный факт наличия у электрона спина, верно выдавало разрешенные значения этого спина и даже учитывало то, что каждый электрон представляет собой не только маленький электрический заряд, но и маленький магнит[225]. С некоторым простым ограничением уравнение Дирака давало точную и адекватную количественную характеристику магнитных свойств электрона[226]. Ученый опубликовал свою теорию в январе 1928 года. Уравнение произвело сильное впечатление. Это была, возможно, самая выдающаяся работа в области теоретической физики после того, как Эйнштейн верно объяснил прецессию эллиптической орбиты Меркурия на основании общей теории относительности.

Оставалась одна небольшая (на самом деле громадная) проблема. Теория Дирака предсказывала, что электрон может иметь либо позитивную энергию покоя +mc², либо отрицательную энергию покоя −mc². Это очень плохо; никто никогда не видел отрицательной массы. Но еще хуже, возможно, было то, что существование состояний с отрицательной энергией подразумевало нестабильность электрона. Любой электрон с положительной энергией способен был спонтанно перескочить в состояние с отрицательной энергией, потеряв при этом энергию 2mc² (предположительно, с излучаемыми фотонами). Ни один электрон с положительной массой не протянул бы и миллионной доли секунды, прежде чем превратиться в электрон с отрицательной массой. Тем не менее всем известны электроны именно с положительной массой, и они не распадаются. Частиц с отрицательной массой никто никогда не видел. В первой статье Дирак откровенно заявил, что пока игнорирует эту проблему, но из-за нее считает свою теорию незавершенной. Он писал:

Таким образом, результирующая теория – всего лишь приближение, но, судя по всему, она достаточно хороша, чтобы описать [известный спин и магнетизм электрона] без произвольных предположений.

Два года спустя Дирак «решил» проблему отрицательной энергии с помощью одной из самых необыкновенных (я бы даже сказал, нелепых) гипотез, когда-либо выдвинутых в физике. Было известно, что атомы способны удерживать лишь ограниченное число электронов. Дело в том, что их орбитали – области пространства вокруг ядра атома, которые могут занимать электроны, – вмещают по два электрона каждая. (Это эмпирическое правило ввел в свое время Вольфганг Паули, и сегодня оно называется принципом запрета Паули (или просто принципом Паули[227]). Позже, с появлением теории квантовой физики, это правило получило обоснование.) Дирак дал аналогичное решение для пустого пространства. Он предположил, что все состояния отрицательной энергии, бесконечное их количество, уже заполнены электронами с отрицательной энергией. Вакуум настолько полон электронами с отрицательной энергией, что места для них просто не осталось. Электроны с положительной энергией не могут отдать свою энергию и перейти на одну из орбиталей с отрицательной энергией, потому что эти орбитали уже до предела заняты. Он говорил о пустом пространстве как о заполненном до краев море электронов с отрицательной энергией.

Но разве это не подразумевало, что пустое пространство не пусто, а обладает бесконечным зарядом и к тому же имеет бесконечную (хотя и отрицательную) плотность энергии? Да. Как такое может быть? Разве мы не заметили бы этого? Дирак говорил, что нет. Это и есть вакуум. Поскольку заряд распределен равномерно, мы живем в нем и при этом ничего не замечаем. Замечает ли рыба воду? Вся наша физика основана на том, что происходит в этой сплошной равномерной среде. Мы не замечаем бесконечного моря заряженных частиц, потому что оно никогда не меняется. По сравнению с гипотезой Дирака картинка Максвелла с крохотными вращающимися шестеренками выглядела простой.

Громадная отрицательная плотность энергии по Дираку должна была бы, по идее, давать громадные гравитационные эффекты, но сам он никогда не обращался к этому вопросу – вероятно, потому, что о расширении Вселенной, открытом с помощью «Хаббла», было объявлено всего 9 месяцев назад и объяснение динамики этого расширения, опубликованное Леметром в малоизвестном журнале, еще не получило особой известности. Гравитационные эффекты отрицательного моря Дирака (так стали называть эту умозрительную модель вакуума. Прим. ред.) связаны с современной проблемой того, что теоретические расчеты темной энергии, как упоминалось в главе 14, дают ошибку в 10^120 раз.

Физик меньшего масштаба провозгласил бы новый «принцип запрета», согласно которому состояния с отрицательной энергией попросту исключаются из рассмотрения; электроны не могут их занимать. Но не Дирак. Он заявил, что если в уравнении имеются такие состояния, то они должны существовать, а проблемы, вызванные этим, так или иначе придется решать. Лучшим выходом из положения, которое он сумел найти, стало бесконечное море отрицательной энергии. Дирак никогда не пытался объяснить, откуда взялось это море или почему оно заполнено только от отрицательной бесконечности до нуля, а также почему не существует моря заполненных состояний с положительной энергией.

Только в мире физики, не успевшей еще оправиться от шока многочисленных головоломных сюрпризов (замедление времени, лоренцево сокращение длины объекта, искривление пространства-времени, квантованный свет), такая абсурдная гипотеза могла быть встречена серьезно. Однако это так. Возможно, она была вовсе не абсурдной, а блестящей. Мало того, даже сегодня она психологически поддерживает тех, кто выдвигает современные безумные гипотезы, такие как идея о нашем 11-мерном пространстве-времени[228].

Дирак развил свою идею еще дальше. Время от времени в один из электронов с отрицательной энергией в этом бесконечном море попадает другая частица, после чего он получает дополнительную энергию и покидает море. В частности, может перескочить в состояние с положительной энергией (эти состояния не заняты). Тогда на его месте останется пузырек, который Дирак назвал дыркой. Дырка может двигаться по бесконечному морю, как пузырьки воздуха движутся в толще воды (движется в основном вода вокруг пузырька, а не то небольшое количество газа, которое в нем находится), и отсутствие отрицательного заряда в море отрицательного заряда ведет себя так, как если бы оно представляло собой положительный заряд. Было ли это предсказанием антивещества? Пока нет. Дирак заявил, что такие дырки – это протоны! В декабре 1929 года он написал статью Theory of Electrons and Protons («Теория электронов и протонов»), в которой изложил эту концепцию.

Дирак неохотно предсказывает антивещество

У пузырьковой теории протона Дирака была одна серьезная проблема. Герман Вейль показал, что пузырек в этом случае должен двигаться так, как если бы он обладал той же массой, что и электрон, – но в то время уже было известно, что протон в 1836 раз тяжелее электрона. Конечно, ошибка в 1836 раз – явление не то чтобы совершенно беспрецедентное, но, безусловно, вызов. У Дирака не было хорошего ответа на вопрос о разнице масс. Теория до конца не сформировалась; ее еще придется дорабатывать. Дирак ссылался на недавние расчеты Эддингтона, говорил, что они обнадеживают, однако несогласованность массы протона с теорией представляла серьезную нерешенную проблему, и ею нужно было заниматься.

Еще одна серьезная проблема выявилась три месяца спустя после выхода статьи Дирака о протоне. Роберт Оппенгеймер (позже он приобрел известность как руководитель Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы) написал статью, в которой указывал, что протоны Дирака, его дырки, должны притягиваться к электронам, а при встрече такая пара должна аннигилировать, разрушая друг друга и излучая всю энергию, заключенную в их массе, в виде гамма-лучей. Ни протоны, ни электроны не должны были существовать в обычном веществе более одной миллионной доли секунды. На самом же деле все не так: электроны и протоны счастливо уживаются в атомах и не думают аннигилировать. Получалось, что теория Дирака противоречит самым фундаментальным наблюдательным данным.

Наконец, в мае 1931 года Дирак написал статью, в которой упомянул одно отчаянное решение. Примечательно, что большая часть статьи была посвящена совершенно другой теме: связи между электрическим и магнитным полями. Название статьи – Quantised Singularities in the Electromagnetic Field («Квантованные сингулярности в электромагнитном поле») – ничего не говорит о том, что в ней содержится краткий комментарий по поводу проблемы отрицательной энергии; всего 2 из 36 абзацев статьи посвящены этому вопросу. Создается впечатление, что Дираку откровенно не нравилось решение, которое он вынужден был изобрести, – предсказание антивещества. В статье говорится:

Дырка, если бы таковая существовала, была бы частицей нового типа, неизвестного экспериментальной физике, и имела бы ту же массу, что и электрон, и противоположный заряд. Такую частицу можно назвать антиэлектроном.

Дирак объяснил, что антиэлектроны отсутствуют в природе, потому что при возникновении тут же аннигилируют с электронами – строго по предсказанию Оппенгеймера. Вот почему мы их не видим. В принципе, антиэлектроны можно было бы создать в лаборатории с помощью высокоэнергетических гамма-лучей, но Дирак считал, что эта задача выходит за рамки доступных на тот момент технических возможностей. По его словам:

Однако с учетом интенсивности гамма-лучей, доступных в настоящее время, эта вероятность пренебрежимо мала.

Гораздо приятнее сознавать, что ты можешь разрешить уже известную загадку, к примеру о магнетизме электрона, чем делать вынужденные предсказания. Если антивещество существует, почему антиэлектроны никто не видел? Дирак не был исследователем и слабо разбирался в реальных ограничениях и возможностях экспериментов. Будь его представления о современных экспериментах более полными, он встревожился бы еще сильнее в связи с собственным предсказанием – у экспериментаторов уже несколько лет было средство, позволявшее наблюдать предсказанные им антиэлектроны. Его осторожная оговорка о «пренебрежимо малой вероятности» была совершенно не нужна.

Сегодня мы знаем, что антиэлектроны Дирака тогда действительно уже наблюдались – но рожденные под воздействием высокоэнергетических космических лучей, а не лабораторных гамма-лучей (в этом Дирак был прав). Космические лучи – это естественное излучение, наблюдаемое на поверхности Земли и приходящее из космоса (этот факт продемонстрировал физик Виктор Гесс[229] еще в 1910-е годы). Эти первозданные космические лучи, взаимодействуя с атмосферой Земли, порождают антиэлектроны и другие античастицы. В 1927-м, за год до публикации Дираком первоначальной теории электрона, русский ученый Дмитрий Скобельцын[230] в экспериментах, нацеленных на исследование космических лучей, наблюдал, скорее всего, именно позитроны. Однако у него не было способа ни измерить заряд (определить, положительный он или отрицательный), ни наблюдать процесс аннигиляции, так что он не мог отличить вещество от антивещества.

В 1929 году, тоже до предсказания Дираком антиэлектрона, физик Чжунъяо Чжао, работавший в Калифорнийском технологическом институте в соседнем кабинете с Карлом Андерсоном, наблюдал странный эффект при поглощении веществом электронов, порожденных космическими лучами (по крайней мере, физик считал, что это были они). Электроны вели себя не так, как ожидалось. После появления теории Дирака Андерсон верно решил, что разницу в поведении частиц можно было бы объяснить, предположив присутствие здесь же антиэлектронов. Такая интерпретация вдохновила его на создание совершенной камеры Вильсона с сильным магнитным полем и свинцовым барьером, который позволял определить направление движения частицы (поскольку при пролете сквозь свинец она заметно теряла энергию).

Андерсон совершил открытие и опубликовал свой снимок. Ему удалось всех убедить в существовании антивещества. Дирак был прав. Редакторы журнала предложили Андерсону назвать обнаруженные им частицы позитронами, и название закрепилось.

Мой наставник Луис Альварес был знаком с Андерсоном и очень ценил его работу. Он рассказал об одном моменте, который тревожил ученого и о котором, кажется, никто раньше не писал. В 1930-е годы среди студентов и молодых ученых в большой моде были всевозможные розыгрыши. Сам Альварес тоже гордился кое-какими ловкими трюками, которые ему в свое время удалось проделать с другими физиками, и особенно с надменными профессорами. Поэтому Андерсон, вооруженный первым снимком антиэлектрона, страшно боялся, что кто-то его просто разыграл. Шутнику достаточно было вставить дополнительное зеркало перед автоматизированной камерой Андерсона, и траектория электрона на снимке загнулась бы в противоположную сторону. Так что Андерсон снова тщательно проверил фото и даже сравнил его на всякий случай с внешним видом аппарата, чтобы убедиться, что снимок настоящий. В итоге все же опубликовал его – и вошел в историю.

В 1933 году Дирак получил Нобелевскую премию за то, что тогда называли теорией электронов и позитронов. В своей нобелевской лекции он объяснил, что, собственно, сделал, но ни разу не упомянул ни Вейля, ни Оппенгеймера, ни Андерсона.

Возрожденный эфир

После Эйнштейна и до Дирака вакуум рассматривался как пустое пространство. Эйнштейн показал, что движение по отношению к абсолютному пространству необнаружимо, так что нет смысла и говорить о строении того, чего нет. Казалось, эфир тихо умер и пропал из лексикона физиков. Вакуум – это отсутствие чего бы то ни было; как число нуль, он не существует. Затем Дирак объявил, что вакуум до отказа набит электронами с отрицательной энергией. Получалось, что в нем не только присутствуют какие-то составные части; он к тому же обладает бесконечным отрицательным зарядом и бесконечной же отрицательной энергией.

Несмотря на обнаружившуюся вдруг структуру вакуума, измерить движение сквозь него по-прежнему было невозможно. Теория Дирака была выстроена в рамках математического аппарата, связанного с теорией относительности Эйнштейна, и движение по отношению к заполненному до отказа морю электронов с отрицательной энергией оказывалось необнаружимым. В определенном смысле возродился старый добрый эфир. Более того, возможно, именно это бесконечное море обеспечивало среду, колебания которой обусловливали распространение света. Электромагнитные волны были аналогичны океанским, только двигались не по воде, а по бесконечному морю электронов с отрицательной энергией.

На курсе электромагнетизма в Колумбийском университете меня учили, что эфира не существует, что была доказана ненужность и бессмысленность этой концепции, после чего ученые от нее отказались. Но позже, в аспирантуре Калифорнийского университета в Беркли мой профессор Эйвинд Вихман (тот самый, кто предложил использовать в эксперименте Фридмана−Клаузера кальций) отмечал с улыбкой, что эфир никогда и никуда не уходил из физики; его просто переименовали. Сегодня мы называем его вакуумом.

Если почитать про вакуум в учебнике физики для аспирантов, выяснится, что это гораздо более сложная штука, чем эфир Максвелла. Вакуум лоренц-инвариантен, а это означает, что, двигаясь сквозь него, заметить его невозможно; вакуумного «ветра» не существует. Вакуум содержит энергию. Он может быть поляризован, то есть реагирует на электрическое поле разделением своих «виртуальных» зарядов. Поляризацию можно выявить и измерить, посмотрев на энергетические уровни в атоме водорода (посредством явления, известного как лэмбовский сдвиг[231]); можно также зарегистрировать ее непосредственно по силе, с которой вакуум воздействует на металлические пластины (эффект Казимира[232]). В настоящее время считается, что вакуум постоянно порождает вещество и антивещество, которые почти мгновенно аннигилируют – за исключением случая, когда все это происходит вблизи черной дыры. Эта особенность приобрела существенное значение в теории излучения черной дыры Стивена Хокинга (излучение Хокинга), представляющей собой эвристическое объяснение излучения. Согласно этой теории, сильное гравитационное поле вблизи поверхности Шварцшильда разделяет возникающие там фоновые пары частиц и античастиц прежде, чем они успеют аннигилировать; одну из частиц пары оно всасывает внутрь черной дыры, вторую излучает в бесконечность.

Современная концепция вакуума рассматривает его как материальный объект. Он не движется (по крайней мере, обнаружить это невозможно), но может расширяться, и это весьма важно для понимания Большого взрыва. Вакуум содержит постоянное поле Хиггса; оно заполняет все пространство целиком и отвечает за придание частицам их массы. Он содержит также темную энергию, ответственную за ускорение расширения Вселенной. В общем, вакуум устроен намного сложнее, чем придуманный Максвеллом набор колес и шестеренок.

Фейнман обращает время вспять

На то, чтобы вырасти из идеи Дирака о бесконечном море и отказаться от нее, потребовалось 17 лет. Возможно, это могло произойти и раньше, но вмешалась ужасная война и отвлекла героя обратного времени – Ричарда Фейнмана. Он участвовал в реализации Манхэттенского проекта, наблюдал взрыв первой атомной бомбы, а затем вернулся к занятиям фундаментальной физикой в Принстоне, где читал лекции перед умнейшими людьми и демонстрировал им, что излучение не показывает асимметрии времени. Фейнман был великим энциклопедистом и ученым, сумевшим осветить буквально каждую проблему физики, о которой когда-либо задумывался. А задумывался он о многих аспектах, от электромагнетизма до физики элементарных частиц, сверхпроводимости и статистической физики.

В уравнениях Дирака – мало того, во всех уравнениях квантовой физики – слагаемое, связанное с энергией, всегда содержит также и время и выглядит как произведение Et. Позитроны Дирака имели это слагаемое со знаком минус: −Et. (Такая комбинация возникла вследствие работы Эмми Нётер, о которой мы говорили в главе 3.) Дирак интерпретировал знак минус как символ присутствия отрицательной энергии. Фейнман же предположил, что уравнения вместо этого могут указывать на положительную энергию в сочетании с отрицательным временем. Время, движущееся вспять, возможно, звучит нелепо, но задумайтесь сами: правда ли это более нелепо, чем бесконечное море электронов с отрицательной энергией?

Фейнман не был первым, рассмотревшим обратное время, но именно он превратил его в подробно разработанную теорию. Он предположил, что на самом деле позитрон – это электрон, движущийся назад во времени. Такое определение сразу же объясняло, почему он обладает той же массой, что и электрон; это и есть электрон, и он обладает положительной энергией. На самом деле электроны здесь сохранили свой отрицательный заряд; просто движение назад во времени придавало бы им иллюзию положительного электрического заряда. Бесконечного моря отрицательной энергии больше не требовалось; отрицательный знак перекочевал от энергии к времени.

Фейнман разработал совершенно новый подход к квантовой физике, и в первую очередь физике полей – тех самых силовых линий, которые выходят из зарядов и магнитов. Фейнман нашел систему уравнений, которые можно было бы использовать для расчета всех квантовых процессов в электромагнетизме, – а затем вдруг понял кое-что еще более поразительное. Каждое из его уравнений можно было изобразить в виде простой диаграммы. И оказалось, что можно, получив новую вычислительную задачу, не разбираться в сложных уравнениях, а нарисовать вместо этого все диаграммы, которые только придут на ум в рамках сформулированных Фейнманом правил, а затем, пользуясь еще одним набором правил, записать соответствующие уравнения – и получить ответ, то есть квантово-физическую амплитуду вероятности будущего процесса (обычно это столкновение частиц). Результат оказался необычайно простым и эффектным, и Фейнман даже предположил, что диаграммы здесь, возможно, более фундаментальны, чем их описание.

Предложенный Фейнманом подход сделал квантовую физику такой интуитивно понятной, что сегодня большинство ученых мыслят в терминах этих диаграмм Фейнмана. Предположим, к примеру, что мы хотим знать, как поведут себя электрон и позитрон, если столкнутся друг с другом в пространстве.

Эту простую диаграмму можно было бы назвать диаграммой «аннигиляции», поскольку позитрон и электрон здесь исчезают, превращаясь в фотон, который затем вновь распадается на электрон и позитрон. В фейнмановском подходе эта диаграмма соответствует конкретному уравнению, которое позволяет определить амплитуду рассеяния; кроме того, из него можно рассчитать вероятность рассеяния.

Но по сформулированным Фейнманом правилам, основанным на уравнениях, в диаграмму придется добавить еще одну амплитуду. Полученную схему можно назвать диаграммой обмена. Электрон и позитрон так же входят слева и уходят направо. Но здесь уходят те же самые частицы, которые и вошли в начале процесса. Рассеяние происходит оттого, что позитрон и электрон обмениваются фотоном. Обмен фотоном заставляет электрон и позитрон изменить траектории; он обеспечивает эквивалент силы, или взаимодействия, между ними. Обратите внимание, что здесь ликвидирована вся концепция силы; электрон отклоняется от своего пути не из-за действия силы, а потому, что поглощает фотон. На диаграммах фотон скрыт от наблюдения, он появляется лишь на время и называется виртуальным фотоном[233]. Поскольку срок его жизни невелик, к нему не предъявляется даже требование отсутствия массы; в теории Фейнмана виртуальные фотоны, как правило, имеют массу покоя.

Чтобы вычислить полную амплитуду – величину, отражающую полную вероятность рассеяния, следует сложить амплитуды для обеих диаграмм. Это кажется разумным, если особенно не задумываться. На одной диаграмме первоначальный электрон исчезает, а справа возникает, рождается заново другой электрон. На другой диаграмме входит и уходит один и тот же электрон. Тем не менее два эти процесса протекают одновременно. Физика не может сказать, тот же самый этот исходящий электрон или новый. Мало того, на самом деле он оказывается одновременно и тем, и другим. Эти частицы по-настоящему идентичны и неразличимы. Повторим: исходящий электрон – одновременно тот, что вошел в картинку, и другой, рожденный заново. Такой вот получается кот Шрёдингера! Вероятность этого процесса определяется через амплитуды обеих диаграмм; амплитуды складываются, а их сумма затем возводится в квадрат.

Помните совет Фейнмана: не думайте, как такое может быть, или сойдете с ума.

А теперь давайте вернемся к обратному ходу времени. В новом фейнмановском подходе к позитронам первая диаграмма полностью эквивалентна (то есть дает ту же амплитуду вероятности) второй диаграмме. Но произошли небольшие изменения. То, что раньше рассматривалось как позитрон, теперь стало электроном, движущимся назад во времени.

Диаграммы Фейнмана – ключевой элемент нынешних квантовых вычислений, каждый день ими пользуются тысячи людей. Существуют компьютерные программы для оценки амплитуд вероятности сложных фейнмановских диаграмм (к примеру, тех, где происходит обмен двумя или более фотонами). На этих схемах антивещество представлено как обычное вещество, движущееся назад во времени. Более того, частицы, двигаясь назад во времени, несут с собой информацию о будущем. Они несут с собой импульс и энергию будущих частиц, которые появляются на правой стороне диаграмм. Фейнман утверждал, что на новый подход его вдохновило исследование излучения – работа, которую он представлял перед Эйнштейном и другими великими умами и которая показала, что классическое излучение движется как вперед, так и назад во времени.

Фейнмановское обратное время, хотя и противоречит нашему ощущению реальности, тем самым порождая тревогу, в принципе, не создает никаких проблем с физикой, потому что в уравнениях направление хода времени не нужно и никак не используется.

Хокинг в своей «Краткой истории времени»[234] тоже ссылается на фейнмановскую парадигму обратного времени, но не готов принять ее как путешествие назад во времени. Он утверждает (без объяснений), что, по его убеждению, подобное движение назад во времени возможно только в микроскопическом, но не в большом человеческом мире.

Могут ли оказаться все электроны на самом деле позитронами, движущимися назад во времени? Или, может быть, мы сделаны из позитронов, а электроны в наших телах – на самом деле позитроны, движущиеся назад во времени? Да, все эти предположения не только возможны, но и стали составной частью современной теории – или, как утверждают некоторые, одного из вариантов интерпретации современной теории.

Кто же прав – Дирак или Фейнман? Что такое позитроны – пузырьки в бесконечном море или электроны, движущиеся назад во времени? Физики в большинстве своем предпочитают фейнмановскую картину. Кажется, она лучше отвечает критерию бритвы Оккама – принципа, согласно которому из всех возможных объяснений некоторого явления всегда принимать следует простейшее. Однако не существует эмпирического способа продемонстрировать всем желающим, что обратное движение во времени действительно имеет место, а бесконечное море частиц с отрицательной энергией не соответствует действительности. Кроме того, безусловно, возможен и третий вариант: обе теории ошибочны. Диаграммы Фейнмана целиком выводятся из квантовой теории поля, и мы, возможно, просто слишком далеко заходим в своих интерпретациях, воспринимая их буквально, а не в качестве мнемонических правил для запоминания фейнмановских уравнений. Но, возможно, и нет.

Мы все – одно

В своей книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» Фейнман рассказывает, что однажды ему позвонил возбужденный наставник Джон Уилер, который сказал: «Я знаю, почему все электроны имеют одинаковый заряд и одну и ту же массу!» Фейнман спросил почему. Уилер ответил: «Потому что все они – это один и тот же электрон!»

Ученый мгновенно понял идею Уилера. На фейнмановской диаграмме при рассеянии электрон отскакивает обратно в прошлое. Ясно, что позитрон и электрон будут обладать одной и той же массой, потому что на самом деле это одна и та же частица. Но предположим, что когда-то, в отдаленном прошлом, движущийся назад во времени электрон вновь рассеется на чем-то, отразится и снова двинется вперед во времени. Тогда у нас будут уже два электрона, существующие одновременно, но на самом деле они окажутся одной и той же частицей. Может быть, все электроны связаны таким образом и существует лишь один, который мечется назад и вперед во времени.

Фейнман пишет, что отверг эту идею не потому, что она была слишком безумной (ничто в физике не может быть слишком безумным), но потому, что она, судя по всему, предсказывала, что позитронов и электронов во Вселенной должно быть одинаковое количество. Но если это так, где же все позитроны? (Характерно, что первая реакция великого теоретика, такого как Фейнман, на новую гипотезу – сразу же попытаться ее опровергнуть.) Уилер предположил, что они где-то прячутся – скажем, внутри протонов.

В настоящее время идея Уилера представляется более правдоподобной. Как я уже упоминал, Андрей Сахаров показал (в 1967 году), что крохотная известная разница между веществом и антивеществом («нарушение CP-симметрии») позволяет нам постулировать почти, но все же не совсем равное число частиц и античастиц в ранней Вселенной. Тогда после аннигиляции большинства из них мы получим нынешнюю Вселенную с преобладанием вещества.

Возможно, когда-нибудь кто-нибудь организует на основе идеи Уилера новую религию. Человеческая душа после смерти движется назад во времени, рассеивается (отражается) и становится душой, движущейся вперед, – другой личностью. Это происходит многократно. Может быть, во Вселенной существует всего одна душа. Приятным аспектом такой религии стало бы то, что в ней не требуется постулировать Золотое правило. Мало того, Золотое правило неизбежно возникает само по себе: то, что ты делаешь с другими, на самом деле делаешь с самим собой.

Может ли человек путешествовать назад во времени

Фейнмановский электрон, движущийся назад во времени, на первый взгляд не имеет непосредственного отношения к вопросу, который так волнует читателей научной фантастики: как насчет путешествия человека в прошлое? Сейчас (после «Машины времени» Герберта Уэллса, написанной в 1895 году), когда научная фантастика старается ориентироваться на недавние научные открытия, подобные перемещения во времени обычно «осуществляются» двумя способами: движением быстрее света или кротовыми норами.

Когда в фильме «Супермен» герой обнаруживает, что Лоис Лейн мертва, он летит быстрее скорости света, сдвигается в прошлое и принимает меры, чтобы предотвратить ее гибель, – ведь в его новой системе отсчета это еще не случилось. Но несмотря на то что герой действует как будто по теории относительности, на самом деле совершенное им противоречит уравнениям Эйнштейна. Если помните, я показал, что движение быстрее скорости света способно менять последовательность разделенных событий. Тахионная пушка может поразить цель прежде, чем выстрелит. Но наблюдатели никогда не разойдутся во мнениях, несмотря на то что такое оружие делает причинно-следственную связь двусмысленной. Если Лоис Лейн умирает в одной системе отсчета, она умирает и во всех остальных, хотя и в разные моменты времени. И чтобы спасти ее, как это делается в фильме, пришлось бы постулировать, что с теорией относительности что-то не так. Но тогда зачем летать быстрее скорости света? Если вы не стараетесь согласовывать свой сюжет с современной физикой, почему не встать просто на научно-фантастическую позицию и не заставить Супермена с его супермозгом построить машину времени по Уэллсу?

Касательно путешествий во времени, мы можем воспользоваться тем, что кротовая нора способна соединять одну локацию в пространстве-времени с другой, которая расположена не только в другой точке пространства, но и в ином, возможно более раннем, времени. Представьте рулон старой кинопленки, представляющий ход пространства-времени. А теперь сложите пленку и поднесите событие, которое уже произошло, к настоящему моменту. Теперь перепрыгните на соседний виток – и вы в прошлом. Героиня Элли Эрроуэй летала через такую кротовую нору в (чудесном) романе Карла Сагана Contact[235]. Если вам хочется увидеть яркое изображение кротовой норы, посмотрите, как Джоди Фостер (она играет Элли) проваливается в нее в (не слишком удачном) фильме, снятом по этому роману. Не так давно Кип Торн[236] – один из ключевых физиков, связавших кротовые норы с путешествиями во времени, – выступил в роли исполнительного продюсера масштабного научно-фантастического фильма «Интерстеллар», в котором обыгрывается такая возможность.

Путешествия во времени настолько умозрительны, что обычно не рассматриваются как тема для серьезной профессиональной публикации. Было, однако, знаменитое исключение – в 1988 году Торн с двумя коллегами из Калифорнийского технологического института опубликовал статью в очень престижном научном журнале Physical Review Letters под интригующим заголовком «Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition» («Кротовые норы, машины времени и слабое энергетическое условие»). Термин слабое энергетическое условие имеет отношение к вопросу о стабильности кротовых нор. Далее я буду ссылаться на эту работу как на «статью о машине времени». В аннотации к ней говорится:

Утверждается, что если законы физики позволяют продвинутой цивилизации создать и поддерживать кротовую нору в пространстве для межзвездных путешествий, то ее можно преобразовать в машину времени, при наличии которой появится, возможно, способ нарушения причинности.

Это была очень специализированная и очень осторожная статья; вероятно, именно ей мы в наибольшей степени обязаны широкой популярностью предположения, что путешествия во времени через кротовые норы возможны, – хотя авторы и не утверждают этого. Они выдвигают гипотезу, что некая будущая высокоразвитая цивилизация могла бы, в принципе, создать кротовую нору, соединяющую две различных области как во времени, так и в пространстве. Никакого практического способа сделать это в статье не предлагается; авторы просто говорят, что при достаточной способности аккумулировать громадные энергетические ресурсы ничто (ну, почти ничто) из известных законов физики не запрещает этого делать. Проходить через такие кротовые норы можно как туда, так и обратно, поэтому, утверждают они, можно прыгнуть в такую нору и выйти не только в другом месте, но в и другом времени, даже в прошлом.

Это максимум, что до сих пор сумели сделать серьезные физики в плане разработки механизма машины времени. Авторы делают вывод:

Следовательно, проходя в поздние сроки сквозь кротовую нору от правого входа к левому, можно путешествовать назад во времени… и из-за этого нарушать причинность.

Нарушение причинности, как показывает парадокс с тахионным убийством, подразумевает отрицание свободы воли. В качестве наглядного примера авторы статьи о машине времени вновь вспоминают кота Шрёдингера! Они говорят:

Пространство-время кротовой норы может служить полезным испытательным стендом для идей, имеющих отношение к причинности, «свободной воле» и квантовой теории измерения…

Если взять печально знаменитый пример, то может ли высокоразвитое существо измерить кота Шрёдингера, выяснить, что он жив в момент P (и тем самым «заставить его волновую функцию коллапсировать» в состояние «жив»), а затем вернуться назад во времени через кротовую нору и убить кота (заставить его волновую функцию коллапсировать в состояние «мертв»), прежде чем наступит время [события «кот жив»]?

Нигде в статье о машине времени не обсуждается стрела времени, не оговаривается, что эта стрела должна указывать вдоль направления кротовой норы даже после того, как достигает прошлого. Путешественники во времени, проходящие сквозь кротовую нору, должны делать это, не меняя направления стрелы, чтобы добраться до места назначения, ощущая нормальное течение времени. Это принципиально важный, но не рассмотренный момент.

Я сказал бы, что подлинное путешествие во времени, если таковое возможно, означало бы, что субъективное сейчас путешественника должно перемещаться из настоящего в прошлое. В статье о машине времени не разбирается вопрос, что движение по такой траектории сделало бы с представлением путешественника о моменте сейчас. Авторы говорят, что кротовая нора позволяет нарисовать «замкнутую времениподобную кривую», что на жаргоне физиков означает траекторию, содержащую участок, который уводит в прошлое. Но может ли человек двигаться по этой траектории и субъективно ощущать поступательное движение времени, сохраняя при этом память о том, что уже стало будущим? Я всегда могу развернуть стрелку на электроне и назвать его позитроном, движущимся назад во времени, но будет ли это то самое путешествие, о котором писал Герберт Уэллс?

Еще одна ловушка статьи состоит в том, что кротовая нора в ней описывается как очень нестабильная и короткоживущая – настолько, что человеку просто не хватит времени пройти сквозь нее, прежде чем она исчезнет. Там оставлена лазейка: если физики и инженеры придумают, как придать «плотность отрицательной энергии» большой области пространства, кротовая нора может оказаться более устойчивой. Пока не известно никакого способа сделать это, но ничто в физике, как нам представляется, не исключает этого абсолютно. Однако с таким требованием вся демонстрация реализуемости стабильных кротовых нор рушится, вне зависимости от остальных возражений. Вся концепция становится умозрительной, поскольку требует какой-то новой физики. Авторы говорят об этом достаточно ясно. Они утверждают: «Вопрос, можно ли создавать кротовые норы и поддерживать их существование, связан с глубокими и слабо изученными проблемами». Реальность наличия таких кротовых нор напоминает задачу о тахионах: сам по себе факт, что ничто в современной физике не исключает их полностью, не означает, что они действительно есть.

Наконец, даже если по поводу течения времени еще можно что-то ответить, а требуемые поля отрицательной энергии удастся найти, остается еще вопрос причинности и свободы воли. Этот момент в статье разбирается хотя бы в том плане, что применяется прием reductio ad absurdum (доведение до абсурда, лат. Прим. ред.): приводится уже упомянутый пример с котом Шрёдингера. С ним тесно связан также парадокс убитого дедушки, в котором вы перемещаетесь назад во времени и убиваете собственного дедушку. Поскольку без дедушки не может быть и вас, то как бы вы смогли такое проделать, если вас нет и никогда не было? Один из возможных ответов на этот парадокс состоит в том, что вы не обладаете свободой воли, так что даже если бы вам удалось переместиться в прошлое, убить своего дедушку вы бы все равно не смогли. А то, что в какой-то момент вы родились, наглядно демонстрирует, что вы этого не делали.

Один из способов сохранить свободу воли – постулировать существование некой космической «цензуры»; то есть вы можете переместиться назад во времени, но не можете изменить того, что уже произошло[237]. Именно это случается с Клэр в романе (и телесериале) «Чужестранка»[238]. Она пытается что-то изменить, используя знание будущего, но обстоятельства всегда складываются так, что ее действия ни к чему не приводят: (осторожно, спойлер![239]) она думает, что убивает предка своего мужа, только чтобы выяснить: ее муж – потомок не родного ребенка этого предка, а приемного. В фильме «Назад в будущее» путешествие в прошлое может изменить настоящее и действительно меняет его – с забавным результатом: по каким-то необъясненным причинам воспоминания путешественника при этом не страдают и не изменяются.

Однако важнее, на мой взгляд, другой вопрос: какой смысл путешествовать назад во времени, если не можешь ничего изменить?

Как говорит Сара Коннор в другом фильме, где фигурирует перемещение в прошлое, – в «Терминаторе»: «Господи, можно сойти с ума, думая обо всем этом».

Анализ путешествий во времени с точки зрения физики предполагает стандартную неизменную пространственно-временную диаграмму. В самом деле, сейчас большая часть вычислений в физике проводится именно так, и физический мир представляется именно так, но мы все знаем, что это не мир нашего чувственного опыта. Если все в будущем и в прошлом заранее предопределено, какую ценность могут иметь путешествия во времени? На стандартной пространственно-временной диаграмме нет никакой возможности указать момент сейчас, а путешествуя во времени, менять мы хотим именно этот момент.

Кротовые норы – очень интересный объект физических расчетов, привлекающий к тому же пристальное внимание научно-фантастического (и мультипликационного) сообщества. Не исключено, что кротовые норы – это способ изменять свое положение со скоростью, превышающей скорость света. Но если нам на самом деле нужны путешествия во времени, сперва необходимо разобраться в том, что подразумевается под словом сейчас.

Часть IV

Физика и реальность

Глава 21

По ту сторону физики

Получение знания, имеющего смысл, но неизмеримого экспериментально…

Тот, кто крадет мой кошелек, крадет хлам –

Но тот, кто крадет мое время, отнимает у меня жизнь.

С извинениями У. Шекспиру

Эйнштейн с благоговением взирал не только на физику, но и на собственный вклад в нее. Почему ему удалось добиться успеха? В 1921 году он писал:

Как может математика, будучи в конечном счете продуктом человеческой мысли, которая не зависит от опыта, так превосходно описывать реальные объекты?

На самом деле все не совсем так. Ни у кого нет хороших уравнений, которые описывали бы живые организмы, процесс мышления или хотя бы экономические взаимоотношения между людьми. Но это же не физика, можете сказать вы. Да, правда, но будьте осторожны, опасайтесь тавтологии.

Существует мнение (спорное), что физика – это та крохотная часть реальности, которая поддается анализу с помощью математики. При этом неудивительно, что она описывается математикой; если какой-то аспект реальности не поддается нашим математическим атакам, мы даем ему иное имя: история, политология, этика, философия, поэзия. Какая часть всеобщего знания относится к категории «физика»? С точки зрения теории информации – очень маленькая. Какая доля тех ваших знаний, которые по-настоящему важны, относится к физике? Мне кажется, что даже у Эйнштейна эта доля была крохотной.

Ограниченность науки

Когда я учился в Школе естественных наук в Бронксе, один старшеклассник (встречавшийся с моей сестрой) подарил мне книгу в мягкой обложке – The Limitations of Science («Ограниченность науки») Джона Салливана. Эта книга, исчерканная моими замечаниями, до сих пор хранится: Mentor Edition, цена 50 центов, девятое издание 1959 года, копия классического издания 1933 года.

Я возненавидел ее. Она разрушала мою веру в то, что наука – высший способ познания и арбитр истины, будто у нас есть шансы когда-нибудь заглянуть с ее помощью в будущее и ясно увидеть, что нас ждет. Я был настолько разочарован, что начал задумываться, не выбрать ли в качестве специализации английский язык вместо физики. Тем не менее прочел книгу от корки до корки и отметил в ней несколько десятков абзацев, показавшихся особенно тревожными или важными. В одном из помеченных мной мест на странице 70 говорилось:

Принцип неопределенности основан на том, что мы не можем наблюдать природные явления, не нарушая хода вещей. Это прямое следствие квантовой теории.

Таким было мое первое знакомство с принципом неопределенности Гейзенберга; когда Салливан писал свою книгу, этот принцип еще не получил современного названия. Фразу «не нарушая хода вещей» сегодня было бы точнее записать так: «…не вызвав коллапса волновой функции». Оказалось, наука не умеет предсказывать, а может только оценивать вероятности. Я был страшно разочарован.

В то время я, конечно, не понимал: меня тревожит, в сущности, то же самое, что в свое время беспокоило Эйнштейна. Он был не в состоянии примириться с концепцией неполноты физики, согласно которой эта наука не есть полное описание реальности, равно как и прошлое не полностью определяет будущее.

Пока Эйнштейн сражался с этими вопросами, тон в науке задавало еще одно недавнее событие, возможно, даже более удивительное, чем ограниченность физики. Эйнштейн знал, что все математические теории неполны. Этот факт открыл и доказал в 1931 году приятель Эйнштейна по Принстону Курт Гёдель[240].

Шок от Гёделя

Гёдель доказал математическую теорему, глубоко ранившую не только математиков и физиков, но также философов и специалистов по логике. Эта теорема не упоминается в книге Салливана от 1933 года – вероятно, потому что на тот момент она была еще новой и мало кто ее понимал. Или, может быть, мало кто в нее верил. А из тех, кто поверил, многие надеялись, что ее еще удастся опровергнуть либо обойти. Или, возможно, Салливан не считал математику наукой: в Европе ее часто рассматривают как своего рода свободное искусство, наряду с музыкой и философией. Прошло время, и теперь теорема Гёделя считается и захватывающе интересной, и необычайно важной; многие считают ее величайшим математическим достижением XX столетия.

Теорему Гёделя можно сформулировать обманчиво просто: все математические теории неполны. По существу это означает, что в любой придуманной вами математической системе будут присутствовать истины, доказать которые невозможно – мало того, их невозможно даже обозначить как истины.

Гёдель не доказал, что математика как таковая неполна; он доказал лишь, что любой набор определений, аксиом и теорем обязательно неполон. К примеру, существуют теоремы, которые невозможно доказать с использованием действительных чисел, – к примеру, возможность того, что число πe иррационально. (Здесь π – это отношение длины окружности к ее диаметру, а e – основание натурального логарифма.) Тем не менее если расширить числовую систему так, чтобы она включала также и мнимые числа, не исключено, что появится возможность доказать эту теорему. (На самом деле мы не знаем, иррационально число πe или нет; я привожу это утверждение только для того, чтобы проиллюстрировать результат Гёделя.) Но как только вы расширите свою математику, обязательно окажется, что есть еще одна теорема, которая верна, но недоказуема.

Еще один возможный пример – гипотеза, выдвинутая немецким математиком Кристианом Гольдбахом[241]; суть ее в том, что любое четное число можно записать в виде суммы двух простых целых чисел. Эта идея тоже пока не доказана, и не существует эмпирического способа определить, верна ли она. Возможно, она просто недоказуема средствами современной математики. (Если вы считаете, что можете осилить эту задачу, пожалуйста, пошлите свое доказательство какому-нибудь профессору математики, а не мне.) Но не исключено, что когда-нибудь – возможно, после будущего расширения математики – эту гипотезу удастся доказать или опровергнуть.

Причина, по которой вы не можете назвать определенные теоремы верными, но недоказуемыми, проста: если бы вы могли это сделать, это было бы доказательством их истинности. Многие теоремы могут быть опровергнуты одним-единственным контрпримером, но с теоремой Гёделя это не пройдет.

Поскольку современная физика пользуется математикой как одним из главных своих инструментов, всякая физическая теория обязательно неполна. Непременно существуют истинные утверждения, которые невозможно доказать или истинность которых невозможно продемонстрировать. Стивен Хокинг сокрушается по этому поводу, но утешается признанием того, что к любому неизвестному можно подступиться, разработав более полную теорию или добавив еще несколько постулатов или принципов. Из теоремы Гёделя следует, рассуждает он, что все существующие теории (и, он наверняка согласился бы, которые еще будут сформулированы) неполны. Он с иронией заключает, что у теоретиков всегда будет работа.

Теорема Гёделя заставляет задуматься о полноте физики – не какой-то конкретной теории, а науки как таковой. Или какие-то аспекты реальности, помимо тех, которые затрагивает принцип неопределенности, принципиально недоступны? Стоит об этом задуматься, и сразу же выясняется, что многие аспекты реальности не только не затронуты современной физикой, но, кажется, никогда не будут ею затронуты, как бы она ни продвинулась вперед. Очевидный пример можно найти в обычном вопросе о том, как что-то выглядит.

Как выглядит синий цвет?

Когда вы видите синее и я вижу синее, мы видим один и тот же цвет? Или, может быть, когда вы видите синее, на самом деле видите то, что и я, когда смотрю на красное? Может такое быть?

Я заразился этим вопросом в пятом классе. Учительница ничем не смогла мне помочь. «Конечно, мы все видим одно и то же», – сказала она. Я не сдался. Наш учитель физики, казалось, знал очень много всего, поэтому, когда я был в девятом классе, после уроков задал ему этот вопрос. Он сказал, что зрительный сигнал у всех людей идет в одну и ту же часть мозга, так что, разумеется, мы все видим все одинаково. Я счел, что он не ответил. Кроме того, научился остерегаться слов «конечно» и «разумеется».

Как можно сформулировать этот вопрос более понятно и убедительно? Оказалось, это хитрая задача. Некоторые, кажется, понимали, о чем я веду речь; другие отмахивались от моего вопроса, считая его бессмысленным. Теперь-то я знаю, что он волновал многих великих философов во всем мире. По существу, эту проблему можно свести к различию между мозгом (физическим объектом, в котором происходит мышление) и сознанием (более абстрактной концепцией духа, который пользуется мозгом как инструментом). Разграничение мозга и сознания относилось к классу задач, которые обозначаются как «дуализм» и восходят по крайней мере к древним грекам.

Вот простой эксперимент, который вы можете проделать сами, чтобы прояснить вопрос с цветом. Держа оба глаза открытыми, посмотрите на какой-нибудь окрашенный предмет; затем закройте рукой сначала правый глаз, а затем левый. Остались ли цвета в точности такими, как были? У пожилых людей это, как правило, не так; с возрастом хрусталик слегка выцветает, причем у каждого глаза по-своему, и эти изменения меняют в том числе и восприятие. Это как смотреть сквозь очки со стеклами разных оттенков. Мой офтальмолог говорит, что многие люди видят цвета немного по-разному правым и левым глазами. Если вы видите красное чуть иначе разными глазами, то что мешает другому человеку видеть это же красное совершенно иначе? (Замена физических глаз не поможет ответить.)

У меня диагностировано отклонение, известное как diplacusis binauralis[242]. Проявляется оно в том, что для одной и той же частоты (скажем, для звучащего камертона) я справа и слева слышу звуки разной высоты, что довольно неудобно. Больше всего это раздражает моих детей, которые часто жалуются, что я не могу вести мелодию. В конце концов я нашел для себя способ петь, одновременно по-разному совмещая с мелодией звук в каждом ухе.

Это, конечно, пустяк, но нет никаких причин, по которым такой эффект не может наблюдаться в более широком масштабе. Может быть, то, что для меня синее, для вас красное.

В 1982 году австралийский философ Фрэнк Джексон сформулировал мой детский вопрос о восприятии красок особенно убедительно, как мне кажется. Он сочинил историю про блестящую женщину-ученого Мэри. Она с рождения воспитывалась в замкнутом бесцветном пространстве, где все предметы были черными, серыми или белыми и не было ничего цветного, на чем можно было бы остановить взгляд. Мэри читала только те книги, где не было цветных картинок, и смотрела черно-белый телевизор.

В интерактивном музее Сан-Франциско «Эксплораториум»[243] есть чудесная комната, где смоделирована бесцветная среда. Помещение освещается почти монохроматическим светом – одной частоты, одного слегка желтоватого оттенка от натриевых ламп низкого давления. (Вы можете купить такую и включить ее дома; только не берите лампу высокого давления, она излучает многоцветный свет.) В этой комнате музея полно предметов, которые в обычном белом свете были бы разноцветными: там есть ткани и коллажи, даже автомат по продаже жевательных конфет, но цвета не видны, а лишь оттенки желтого: от яркого через серовато-желтоватые оттенки к темному. И если долго находиться в этой комнате, слабеет даже восприятие желтого – как можно иногда, проходив несколько минут в темных очках, совершенно забыть про них. Глаза привыкают к необычному освещению, и вы начинаете видеть только оттенки серого: от черного до белого. Но можно взять фонарик и осветить, к примеру, горсть жевательных конфет; это будет настоящий взрыв цвета, который вас ошеломит. (Если пойдете в «Эксплораториум» с ребенком, не забудьте взять мелочь для автомата с конфетами.)

В истории Джексона придуманная им Мэри растет и воспитывается в своем черно-белом доме нормально во всех отношениях, за исключением одного: полного отсутствия цветов. Она читает о цвете в книгах по физике и гадает, каково это – жить в многоцветном мире. Теорию радуги считает элегантной и красивой (в физическом смысле), но при этом не перестает размышлять: как же все-таки выглядит радуга? Отличается ли просто красота от красоты научной?

В конечном счете Мэри становится блестящим ученым, магистром не только физики, но и нейрофизиологии, философии и вообще всех дисциплин, которые вам, возможно, захочется добавить к этому списку. (Не забывайте, это придуманная история.) Она понимает, как работает глаз – оптическое излучение разных частот (длин волн) возбуждает в глазу разные сенсоры, глаз проводит предварительную обработку, а затем посылает сигналы в различные части мозга. Она все об этом знает, но сама никогда не испытывала ничего подобного.

Затем в один прекрасный день Мэри открывает дверь и выходит из своего черно-белого дома в полноцветный мир. Какой будет ее реакция на долгожданную радугу? (Помните, это мысленный эксперимент; мы не должны беспокоиться о том, не атрофировалась ли у нее за все эти черно-белые годы способность к восприятию цвета.) Когда она взглянет в первый раз на небо, на траву и закат, скажет ли: «О, все выглядит в точности так, как я и ожидала, в точности так, как написано в научных книгах»? Или: «Вот это да! Я даже не представляла себе!»? Джексон спрашивает: «Получит ли она какое-нибудь новое знание?» А если получит, то какое, собственно, это будет знание, о чем?

Мой ответ на вопрос Джексона таков: да, она узнает кое-что новое для себя. Она узнает, как выглядит на самом деле красное, зеленое и синее. Но если кто-то другой – может быть, вы? – скажет в ответ на вопрос Джексона, что нет, ничего нового она не узнает, мне будет трудно убедить вас в том, что вы неправы. Либо вы понимаете, о чем я говорю, либо нет. Я не могу объяснить, что имею в виду, с помощью физики, или математики, или любой другой количественной науки. Точно так же и вам будет очень трудно убедить меня в своей правоте. Вы, возможно, решите, что я недостаточно открыт новому, или необъективен, или не прислушиваюсь к доводам разума, или отвергаю научный подход. Но я утверждаю, что точно знаю: то, о чем я говорю, верно. Это не вопрос личного мнения или веры. Я знаю, что имею в виду, и это верно! Существует некое дополнительное знание о цвете, которое Мэри получит только тогда, когда увидит цвет сама. Она узнает, как он выглядит. Вы скажете – чепуха; она не открыла ничего нового. И не существует способа, с помощью которого мы с вами могли бы примирить наши точки зрения.

Какая сущность выполняет зрительный процесс? Если свободная воля существует, какая сущность реализует ее? Какая сущность переживает момент сейчас и отличает его от потом? Скрыта ли она где-то в глубинах мозга или находится вне его, за пределами? Чтобы заострить вопрос, рассмотрим телепортацию Джеймса Кирка, капитана звездного корабля Enterprise.

Передай меня по лучу, Скотти

Одним из классических звуковых фрагментов, вошедших в нашу жизнь из сериала «Звездный путь», стала каноническая фраза «Передай меня по лучу, Скотти». Когда капитан Кирк произносил эти слова[244], инженер Скотти должен был активировать телепортатор; в результате работы этого устройства тело капитана исчезало (уничтожалось? – мы не знаем наверняка), а затем появлялось вновь (собиралось заново?) в другом месте. В «Звездном пути» телепортация, представляющая собой абсолютный идеал высокоскоростного и удобного транспортного средства, помогала ускорять сюжет.

Как это работало? Разумеется, никак; это все-таки научная фантастика. Но когда я вижу перед собой научную фантастику, всегда стараюсь примирить ее с физикой. В этом случае было не слишком трудно. Представьте Кирка в виде квантовой волновой функции. Телепортатор должен просто «клонировать» эту волновую функцию, то есть создать полный ее дубликат – ее и объекта, который она описывает. Будет ли дубликат создан из тех же самых молекул, что и оригинал? Это вряд ли важно; по представлениям современной физики, все атомы углерода одинаковы, как и все электроны, атомы кислорода и т. д., согласно принципу тождественности (неотличимости) элементарных частиц. Вспомните фейнмановские диаграммы, где электрон и позитрон рассеиваются друг на друге. Это говорит о том, что рождающийся электрон одновременно и исходный, и новообразованный, то есть это один и тот же электрон. Или вот еще пример сложностей, ожидающих нас при размышлениях об идентичных частицах: сейчас в вашем теле очень мало молекул, присутствовавших в нем, когда вы были ребенком; большая их часть за это время заместилась другими такими же молекулами. Тем не менее вы, вероятно, ощущаете себя тем же самым человеком.

Оказывается, сразу несколько теорем современной квантовой физики говорят о том, что такое клонирование в принципе возможно, только если оригинал при этом будет уничтожен. Одна из этих теорем даже называется теоремой о запрете телепортации, но, несмотря на слово «запрет» в названии, она не исключает того варианта, который показан в «Звездном пути»; она просто утверждает, что невозможно телепортировать что-либо, сначала превратив волновую функцию в классический набор измерений, а затем проделав обратную операцию. Еще одна теорема носит название теоремы о запрете клонирования, но это не значит, что клонирование невозможно; это означает лишь, что невозможно изготовить точную копию чего-либо, не разрушив оригинал. Так что, хотя мы и не знаем, как сделать телепортатор из «Звездного пути», никакие известные законы современной физики не запрещают его существования.

Предположим, мы отыщем способ телепортироваться способом, показанным в «Звездном пути». Вы позволили бы так передать по лучу себя?

Я бы не позволил.

Почему? Я опасаюсь, что новый человек, который появится на конце луча, может оказаться не совсем мной. Принимаю утверждение, что созданное человеческое существо будет обладать всеми моими воспоминаниями, качествами, слабостями, пристрастиями и будет неотличимым от меня по всем физическим параметрам. Но будет ли он мной? Понимаете, почему я беспокоюсь? Окажется ли точная копия меня в точности мной самим? Конечно, физика не сможет нас различить. Но не существует ли реальности помимо физики? Воспользовавшись старым языком религии, спрошу: откуда мне знать, что душа будет перенесена в место назначения вместе с моим телом?

Научная фантастика давно уже играет с идеей о том, что человеческое тело можно скопировать вместе с памятью, но клонированный таким образом человек на самом деле будет другим. В книгах и фильмах, где обыгрывается этот сценарий, взрослые с большим трудом отличают копию от оригинала, а вот дети и домашние животные с легкостью замечают разницу. И как Кассандре[245] в греческой легенде, им никто не верит, хотя они говорят правду. Именно так обстоят дела в фильмах о подмене души, от «Вторжения похитителей тел» (1956) до «Захватчиков с Марса» (1986). Как правило, клоны пытаются убедить неклонов в том, что клонирование – замечательная штука, и клонироваться обязательно надо. Но мы-то, зрители, понимаем, что это не так.

Переношусь ли я из одной точки в другую при клонировании моей квантовой волновой функции? Какую же чепуху вы спрашиваете, правда?

Что такое наука?

Что отличает научное знание от знания любого другого сорта? Думаю, определяющая суть в том, что наука – такой подраздел знания, в котором мы можем рассчитывать на всеобщее согласие. У науки есть средства для разрешения споров, она умеет достоверно определять, что верно, а что ошибочно. Может быть, мы с вами никогда не придем к единому мнению по поводу шоколада: вкуснятина это или противная липкая штука, – но точно знаем, что сможем в конце концов достичь согласия по поводу массы электрона. Вероятно, никогда не договоримся по поводу наилучшей формы государственного управления или экономических систем; скорее всего, не сможем обсудить даже справедливость и этику, но мы имеем, в принципе, возможность прийти к согласию о том, верна ли теория относительности и действительно ли E = mc2.

Когда я вижу синее, что видите вы? Тоже синее? Это не научный вопрос. Становится ли он от этого недопустимым? Суть его сводится к разнице между мозгом и сознанием. Существует ли что-нибудь помимо мозга, скрывающееся за нейронными сетями? Есть ли нечто большее, чем просто физическая, механическая совокупность атомов, – нечто, не просто способное видеть, но и знающее, как выглядит цвет? Я не могу доказать, что такое знание существует. Могу лишь попытаться убедить вас.

Эта проблема чем-то напоминает вопрос иррациональности √2 – о доказательстве того, что это число невозможно записать в виде отношения целых чисел. Доказательство, которое я привожу в Приложении 3, основано на достижении противоречия, но дело в том, что подобный подход нельзя вывести из предыдущей математики; его приходится брать как предположение и принимать на веру как постулат. Аналогична и ситуация с математической индукцией; никто не доказал, что этот метод верен. Это необходимо принять как отдельное допущение. Кроме того, существует важная, хоть и немного невнятная, аксиома выбора – ключевая концепция в математике. Даже наша способность выбирать не самоочевидна. На самом деле ее, может, и нет вовсе, если в реальности мы представляем собой просто машины, управляемые внешними силами и подталкиваемые, возможно, Богом, который «кидает кости».

При обсуждении вопроса о том, как «выглядят» цвета, мы отходим от правил, которых Ньютон неизменно придерживался в физических исследованиях. Кто-то может посетовать, что мы уходим от науки к семантике или – еще хуже – к философии. Мы же обсуждаем не вопросы, имеющие конкретный смысл или интересное содержание. Пожалуйста, скажете вы, определите точно, что вы имеете в виду, когда говорите – цвет как-то выглядит, вот тогда мы сможем понять, универсально ли это выглядит.

Платон в диалоге «Менон»[246] утверждал, что существует знание, которое невозможно получить физическими измерениями. Помимо всего прочего, философ имел в виду мораль – концепцию, которую многие ученые сегодня отбросили бы как ненаучную. Мораль, могли бы сказать они, это набор поведенческих стереотипов, оптимизированных под те варианты поведения, которые способствуют выживанию сильнейших. Платон демонстрировал свой тезис об изначальном знании тем, что никогда (ну хорошо, почти никогда) не позволял герою своего произведения высказывать собственное мнение; вместо этого Сократ задавал вопросы, извлекая тем самым наружу знания, которые, как утверждал Платон, уже существовали в сознании объекта. Представьте: вместо того чтобы привести доказательство иррациональности √2, я просто начну задавать вам вопросы и таким образом подведу вас к доказательству. Это суть сократического метода, называемого майевтикой[247]. И тогда я смогу утверждать, как это делает Сократ, что знание уже готовым лежало в вашем мозгу и его просто нужно было выманить наружу.

Вся математика представляет собой знание, лежащее вне физической реальности. Это беспокоит многих и часто становится причиной математикофобии. Говоря эмпирически, мы можем только показать, что некоторые правила математики приблизительно верны. Точна ли теорема Пифагора? Или, может быть, наибольший угол в треугольнике со сторонами 3-4-5 равен вовсе не 90°, а всего лишь 89,999999? Откуда вы знаете? Не из физики; не из измерений. (А в искривленном пространстве он действительно оказывается не равным 90°, а на шаре можно построить треугольник, все три угла которого будут прямыми.) Математика исследует истины не посредством экспериментальных тестов, а лишь на основании их внутренней непротиворечивости. Можно постулировать, что две различные прямые, проходящие через одну точку, никогда больше не встретятся, – а можно постулировать, что пересекутся. Первый вариант входит в фундамент евклидовой геометрии; второй верен в рамках замкнутого, искривленного пространства-времени общей теории относительности.

Согласно легенде, пифагорейцы так расстроились, обнаружив иррациональность √2, что вышвырнули Гиппаса[248] – человека, который это открыл, – с ладьи в море. (Современная метафора на эту тему звучит немного иначе: «Бросьте его под автобус».) Доказательство Гиппаса вполне могло походить на то, которое я даю в Приложении 3, но существуют и другие симпатичные доказательства, причем одно из них основано на геометрии.

Согласно другому варианту легенды, пифагорейцы сочли природу числа √2 и факт ее открытия исполненными настолько глубокого смысла, что это число стало основой их религии. В этой истории они швырнули Гиппаса за борт в наказание за то, что он раскрыл эту величайшую тайну непосвященным. Тем не менее можно без всяких сомнений утверждать, что пифагорейцы в этой теореме открыли действительно глубокую истину: есть знание, существующее вне физической реальности; эта истина настолько поразительна, что они считали возможным сообщать ее только посвященным, давшим клятву хранить тайны пифагорейской веры. А Гиппас открыл, что нефизические истины – истины, не поддающиеся физической верификации, – в самом деле существуют.

Глава 22

Cogito ergo sum[249]

Существует ли «сейчас» в мозге? Или только в сознании?

Кинжал ли предо мной? И рукоятью

К моей руке? – Вот я тебя схвачу!

Ты не даешься, а тебя все вижу…

Так существуешь ли для ощупи,

Как для очей, виденье роковое?

Или кинжал – призрак, созданье лжи,

Исшлец ты из пылающего мозга?

У. Шекспир, «Макбет»[250]

«Если что-то невозможно измерить, его не существует». Мы воспринимаем эту сентенцию как самоочевидную истину. Разумеется, она доказуема не больше, чем, скажем, права человека, заявленные в Декларации независимости. Но это не гипотеза и тем более не теория; это больше напоминает некую доктрину, тезис, прибитый, фигурально выражаясь, к дверям кафедры физики. Это догма, способная, если в нее поверить, привести к господству над всем физическим миром. Философы называют ее физикализмом.

Пожалуйста, не поймите меня неправильно. Физика сама по себе не религия. Это строгая дисциплина со строгими правилами о том, что можно считать доказанным или не доказанным. Но если считать, что эта дисциплина представляет всю реальность целиком, она действительно приобретает черты религии. Мало того, что не существует никакой жесткой логической связи между физикой и физикализмом: нет вообще никакой логической причины их связывать. Догма, что физика охватывает всю реальность, оправданна не более тезиса, что Библия содержит в себе всю истину.

Физикализм

Физикализм можно проиллюстрировать цитатой, которую я привел в главе 1. В ней философ Рудольф Карнап критикует уход Альберта Эйнштейна к нефизической вере: «Поскольку, в принципе, наука может сказать все, что только может быть сказано, вопросов, оставшихся без ответов, не может быть». Это ведь самоочевидно, правда? Когда вы это прочли, восприняли ли как хорошо известную истину?

Как выглядят цвета? Это не физический вопрос, поэтому физикалисты его бы не потерпели. Когда вы видите синий цвет, видите ли вы то же самое, что и я, когда смотрю на синий цвет? Это чепуховый, совершенно бессмысленный вопрос. Невозможно разработать процедуру, которая позволит проверить ответ, каким бы он ни был, поэтому его истинность оценить не удастся. С точки зрения физикалистов сама постановка такого вопроса ставит под сомнение здравый смысл и рассудок. Для физикалиста человек, считающий возможным спрашивать, как выглядит тот или иной цвет, уже подозрителен: а не уходит ли он от физики, не теряет ли самодисциплину, не съезжает ли в научную ересь?

Физикализм доходит до крайности, когда утверждает, что иллюзорны любые неквантифицируемые наблюдения, то есть неизмеримые количественно. Нам с вами кажется, что мы знаем – время течет, но на самом деле ничего такого не происходит. Поскольку это не существует в нынешней физической теории и не отражено на пространственно-временной диаграмме, этого нет в реальности, потому что современная структура физики, хотя и не отвечает на все вопросы, охватывает тем не менее всю реальность целиком.

Физики обычно рассматривают математику как науку из-за ее строгости и логичности. Не все обязательно проверять эмпирически; можно также проверять какие-то следствия. Мы знаем, что √2 иррационален, то есть его невозможно записать в виде отношения двух целых чисел. Это утверждение можно, в принципе, опровергнуть, хотя и только в пределах абстрактного, но непротиворечивого царства математики; для этого достаточно найти целые числа, отношение которых даст √2.

Физики действительно пользуются квантовыми амплитудами (амплитудами вероятности) и волновыми функциями – штуками принципиально неизмеримыми. Но стесняются этого и пытаются оправдывать себя. Они надеются, что когда-нибудь смогут отказаться от их использования, а пока просто избегают говорить об их интерпретации. Несмотря на все недостатки физики, ее ценность бесспорна и подтверждается чудесами, которые она выдает: радиотехника, лазеры, аппараты МРТ, телевидение, компьютеры, атомные бомбы и т. д.

Атеизм сам по себе не религия. Это отрицание вполне конкретной разновидности религиозной веры, теизма, утверждающего, что существует Бог, который вознаградит твое преклонение перед ним тем, что поможет выиграть твоей футбольной команде, или поможет твоей армии, или вылечит тебя от рака. Атеизм – это лишь отрицание; он не становится религией, пока не включает в себя какую-то позитивную веру, такую как физикализм, то есть веру в то, что реальность целиком определяется физикой и математикой, а все остальное – лишь иллюзии.

Удивительно, как часто натыкаешься на фразу «наука утверждает…» при обосновании идей, которые на самом деле не основаны на научном знании. По существу, часто это замаскированный физикализм. «Наука утверждает, что свободы воли не существует». Чепуха. На это утверждение кого-то вдохновила физика, но в физике оно никак не обосновывается. Мы не в состоянии предсказать, когда распадется тот или иной атом, и законы физики в том виде, в каком существуют сегодня, говорят, что эта наша несостоятельность – фундаментальное свойство природы. Но если мы не в силах предсказать такое простое физическое явление, как можно воображать, что когда-нибудь мы покажем полностью детерминированное человеческое поведение? Да, известно, что в среднем атомы радиоактивного углерода распадаются за несколько тысяч лет. И в среднем мы ожидаем, что человеческие существа будут принимать решения, которые позволят им расплодиться и произвести на свет новые человеческие существа. Но даже если принять такое минимальное научное заключение, оно оставляет сколько угодно места для решений, основанных на этических и эмпатических ценностях. Наука не «утверждает», что мы когда-нибудь сможем понять человеческие решения без привлечения человеческой же свободной воли.

Нил Тайсон, астрофизик, писатель и звезда сериала «Космос»[251], назвал Ричарда Докинза, автора книги The God Delusion (2006)[252], «главным атеистом мира». Мне очень нравятся книги Докинза о науке, он обоснованно и эффективно критикует многие противоречащие фактам заявления религиозных сект. Его критика организованных религий часто оправданна и имеет смысл, но только потому, что нефизическое знание приносит много зла: он, кажется, считает, что все это просто вздор. Но Докинз совершает фундаментальную ошибку: не говорит об этом прямо, лишь неявно постулируя, что логика требует игнорировать нефизическую реальность. Естественным следствием из такой позиции становится ошибочное представление, что изучение физики несовместимо с верой в Бога. В Приложении 6 я привожу несколько контрпримеров – цитирую глубоко религиозные заявления некоторых величайших физиков всех времен.

В книге «Бог как иллюзия» Докинз пишет: «Я очень счастлив жить в такое время, когда человечество изо всех сил стремится достичь границ познаваемого. И что еще лучше – мы можем в конце концов обнаружить, что этих границ не существует вовсе». Докинз надеется, что возможностям науки действительно не будет предела, но мне кажется, это для него больше, чем надежда, – это уже вера. Это основа его религии, которая базируется на успехах науки в объяснении столь многого, а поэтому – в этом, собственно, заключается суть его доктрины – когда-нибудь она объяснит все. Оптимизм Докинза напоминает мне убеждение древних греков, что любое число можно записать в виде отношения целых чисел. Его ждет разочарование. Пределы физического знания суровы и очевидны. Из нескольких уже приведенных примеров мне становится ясно, что физика неполна и неспособна описать всю реальность.

Более того, вера Докинза в верховенство логики не принимает во внимание жесткие ограничения, открытые Куртом Гёделем. Как уже отмечалось, Гёдель показал, что во всех математических системах присутствуют недоказуемые утверждения, истины, к которым невозможно обратиться и которые невозможно проверить посредством логики. Так что подход Докинза к реальности, принимающий только те истины, которые можно логически продемонстрировать, заведомо ошибочен даже в пределах простого и ясного царства математики.

Эмпатия

Пытались ли вы когда-нибудь представить, каково быть другим – супругом (супругой), кем-то из ваших друзей или знаменитостей (Жанной д’Арк, Альбертом Эйнштейном или Полом Маккартни)? Воображая нечто подобное, считаете ли вы, что лишаетесь при этом собственных воспоминаний и просто становитесь этим другим человеком, видите мир его глазами? Именно эта способность сознания считается источником эмпатии, то есть сочувствия и сопереживания. Неспособность это делать – фундаментальная дисфункция социопатов. Но что именно вы воображаете внутренне, представляя себя кем-то? Какая часть вас переносится на другого человека? Это не ваши чувства, не воспоминания и не знания. Вы пытаетесь увидеть мир таким, каким его видит этот человек. Что это значит?

За неимением другого, более точного термина, давайте обозначим то, что переносится на другое существо, как вашу душу – то самое, что, возможно, не перенесется вместе с вами, когда Скотти отправит вас по лучу. Мне не хочется использовать здесь слово душа, поскольку оно несет с собой немалый груз, связанный с его религиозным использованием: бессмертие и независимая от тела память (узнаете ли вы души своих родителей, когда умрете?); вообще, душа – это то, что наказывают за ваши грехи. Поэтому у меня было искушение назвать эту штуку квинтэссенцией человека (термин, уже принятый в космологической теории), или анимой (с лат. – «душа»; слишком тесно связано с гипнотизмом), или духом (ассоциируется со спортивным и командным энтузиазмом), или даже французским esprit («дух»); но для простоты давайте все же ограничимся словом «душа». Существует ли душа? Реальна ли она?

На первый взгляд душу невозможно обнаружить средствами физики, хотя многие пытаются отыскать ее в физиологии мозга. Душу часто путают с сознанием – вероятно, потому, что физикализму сознание ближе. Разница между душой и сознанием аналогична разнице между разумом и мозгом.

Вспоминаю, как в пятом классе учительница сказала, что мы будем изучать зрение и она расскажет нам, как мы видим. (Это была та же учительница, у которой я позже спрашивал про цвета.) Я очень обрадовался. Тема глубоко меня интересовала, давно хотелось разобраться. В тот же день она повесила на доску схему устройства глаза. Эту схему я видел и раньше, в научных книгах, которые брал в местном отделении Публичной библиотеки Бронкса. (Но вы понимаете, у книги невозможно спросить.) Пока ничего нового. Она показала указкой ход световых лучей. Да, это я тоже знал. Свет проходит сквозь хрусталик, фокусируется на сетчатке и превращается в электрический импульс. Я читал об этом. Импульсы поступают в мозг. Мозг знает, откуда приходит каждый сигнал, поэтому может восстановить изображение. Изображение на сетчатке перевернуто вниз головой, но мозг переворачивает его обратно. Отлично, вот оно! Настал момент, когда будут даны ответы на мои вопросы! Я удвоил внимание. (Это совершенно правдивая история; я едва мог усидеть на стуле от волнения.) Но вместо того чтобы наконец все объяснить, учительница сказала: «А теперь давайте поговорим о том, как устроено ухо и как мы слышим».

Eruditio interruptus![253]

Я опустился на стул, ужасно разочарованный. Все, что я читал об этом в научных книгах, всегда останавливалось на мозге. Но я-то хотел узнать, как я вижу, как сигнал идет из мозга дальше, в то место, где я могу увидеть, как выглядит синий цвет. Именно потом я подошел к учительнице и спросил ее об этом, но она, кажется, не поняла, о чем я спрашиваю. Сигнал поступает в мозг, вот и все.

Какое отношение все это имеет к тайне понятия сейчас? Пока мы считаем себя не более чем машинами, управляемыми хитроумным компьютером, представление о сейчас лишено всякого смысла. Оно не имеет смысла, если не воспринимается той самой штукой (душой?), которая смотрит на сигнал в мозге и видит, на что похож синий цвет. Это не означает, впрочем, что сейчас не имеет физических истоков; я убежден, что имеет.

Тело человека обрабатывает сигналы, но когда я говорю о душе (за неимением лучшего слова), имею в виду то, что смотрит. Я знаю, что имею душу, и меня невозможно в этом разубедить. Это та самая штука, которая существует помимо физики, тела и вне мозга; которая видит, как выглядят вещи и цвета. Я не понимаю, что такое душа. Сомневаюсь, что моя душа бессмертна, – но при этом, имея детей и внуков, с каждым днем все отчетливее ощущаю, что существует своего рода бессмертие, которого я достигаю через них. Есть ли у них души, как у меня? Да, для меня это очевидно, хотя и не могу объяснить, откуда это знаю. Чувствую, что ясное восприятие души другого человека – это самая суть эмпатии и любви. Как можно нанести вред кому-то, если ощущаешь его душу?

Тем не менее я знаю людей, социопатов, которые ведут себя так, будто не обладают подобным восприятием. Они обращаются с другими людьми так, как если бы те были машинами. Причинить боль для них не труднее, чем выбросить велосипед. У них отсутствует эмпатия, та самая способность поставить себя на место другого, признать, что и у него есть душа. Слегка утешает, что таких людей психологи узнают и выделяют в отдельную категорию; они – исключение, а не большинство человечества.

Людей, лишенных эмпатии, часто изображают в книгах и средствах массовой информации. Когда юный Джимми в фильме 1956 года «Вторжение похитителей тел» говорит: «Это не моя мама!» – он, вероятно, чувствует в этой женщине, которая выглядит и ведет себя как его мама, именно отсутствие эмпатии. В фильме 1998 года «Темный город» инопланетяне выстроили целую планету и проводили на ней эксперименты с единственной целью – разобраться наконец, что делает человека человеком. В кульминационной сцене фильма главный герой Джон Мердок указывает сначала на свой мозг, затем на сердце и заявляет, что все это время они искали не там: суть человека заключается не в логическом мышлении или мозге, а в эмпатии, олицетворяемой сердцем.

Во время выборов в США я иногда чувствую, что на самом деле избирателя больше всего интересует, есть ли у кандидата эмпатия – к нему, избирателю, к бедным, ко всем остальным. А политические вопросы – дело десятое. Американский избиратель не хочет выбрать социопата. Правда, они могут быть очень успешными лидерами, о чем свидетельствуют примеры Мао, Сталина и Саддама Хусейна.

Если вы скажете, что у меня нет души, это всего лишь иллюзия и можно научить компьютерную программу действовать так, как будто она тоже обладает душой, я решу, что вы сами не знаете, о чем говорите, в точности как моя учительница в пятом классе. Мне моя душа абсолютно очевидна, несмотря на предыдущее многотрудное объяснение, что я под этим подразумеваю. Пользуясь словами Августина (он говорил о потоке времени), скажем: «Если меня никто не спрашивает, я знаю; если я хочу объяснить, то не знаю». Всякий раз, думая об этом, я испытываю благоговение. Это ведь мое главное религиозное откровение. Подозреваю, что Эйнштейн переживал примерно то же, говоря: «Человек начинает жить, только когда может жить вне себя».

Остается множество неотвеченных вопросов. Есть ли души у животных? Не знаю. Владельцы собак, которых мне доводилось знать долгие годы, уверены, что у собак души есть. Мне довелось однажды в Руанде два часа провести на расстоянии нескольких метров от пары семейств диких горных горилл, и я прочно убедился, что у них души имеются. Они вели себя как дикие, большие, сильные, волосатые люди.

Cogito ergo sum

В 1637 г. Декарт написал: «Я мыслю, следовательно, я существую». Таким кратким и выразительным образом он отверг философскую идею о том, что жизнь – всего лишь иллюзия, и нас, в сущности, просто нет. Заявление Декарта было обсуждено, оспорено – и отвергнуто. Разумеется, если вы будете настаивать на строгих определениях всех терминов, окажется, что это заявление либо заведомо истинно, либо заведомо ложно. Но зачем философ стал бы изрекать банальности? И почему его высказывание произвело на нас такое сильное впечатление и запомнилось?

Мне представляется, что эту знаменитую фразу лучше всего можно интерпретировать как опровержение физикализма. Написано это было по-французски, а не по-английски и не на латыни, и слова были очень простыми: «Je pense, donc je suis». Классические философы интерпретируют pense как физический акт мышления, сигналы в мозге. Этот перевод с равным основанием можно применить и к современному компьютеру. Но мне утверждение Декарта кажется наиболее убедительным, когда я трактую слово «мыслю» как относящееся к деятельности не мозга, а разума, духа, той штуки, которая видит, как выглядят цвета; слышит, как звучит музыка; испытывает эмпатию. Наука может описывать существование как абстракцию, и тогда реальность – всего лишь иллюзия, но Декарт знал, что на самом деле все не так. Хотя он писал это в XVII веке, вопрос актуален до сих пор; в физике он косвенно связан с голографическим принципом[254] – новой интерпретацией реальности, которую в наши дни предпочитают многие специалисты по теории струн.

У физикалистов имеются вполне практические резоны отрицать нефизическое знание. Допустив его существование, вы открываете шлюзы для спиритуализма, псевдонауки и религии. Вы теряете всякий контроль над ситуацией; кто угодно может утверждать что угодно, если это не противоречит наблюдениям. Возможно, математика нефизична и существует только в нашем сознании, но в ней, по крайней мере, есть строгая дисциплина, правила и процедуры, а также способы фальсификации (опровержения) неверных предположений. Однако любые разговоры о душе ведут к появлению «истин», от которых не требуется непротиворечивости, которые невозможно проверить и которые уже поэтому подозрительны. Они, скорее всего, напрасно тратят наше время, отвлекают и сбивают с пути истинного; возможно, они даже опасны.

В 1996 году велись достаточно бурные этические дебаты вокруг клонируемой овцы. Был использован полный геном отдельно взятой особи, чтобы произвести на свет другую овечку, Долли, так же идентичную физически овце-донору, как идентичны друг другу однояйцевые близнецы. Некоторые опасались, что богатые в будущем захотят клонировать самих себя.

И что? Чего здесь бояться? Многих беспокоило то, что они считали этическими последствиями. Как в случае с другими научными достижениями – от вакцинации до контроля над рождаемостью, авторов эксперимента обвинили в том, что они «берут на себя роль Бога». В частности, ставился вопрос, будут ли клонированные особи обладать душой. Если нет, не приведет ли это к их порабощению, как порабощены сегодня лошади, собаки, автомобили и компьютеры?

Многие считали, что необходимо обсудить все этические последствия клонирования, прежде чем разрешить ученым продолжать работу в этом направлении. Как долго, по-вашему, продолжалось бы такое обсуждение? Почему-то аналогия с однояйцевыми близнецами (а никто не оспаривает наличие у каждого из них отдельной души) почти не звучала. (Вообще-то концепция близнеца-злодея восходит еще к Заратустре[255].) Я здесь вспомнил о клонировании только потому, что оно тоже показывает, насколько широко распространено ощущение души. Многие атеисты признают концепцию души; они просто отрицают существование Бога, который поощряет и наказывает. Реальность души отрицают в первую очередь физикалисты.

Глава 23

Свобода воли

В головоломке не хватает еще одной важной детали. Она располагается на краешке квантово-физической части картины и, как вскоре выяснится, необходима нам, чтобы придать понятию «сейчас» его особый смысл…

Если главный закон Вселенной – это закон возрастания энтропии, то главным законом жизни служит, наоборот, возрастание структурированности и сопротивление энтропии.

Вацлав Гавел[256]

Есть ли у вас свобода воли?

Мне кажется, у меня есть, но не уверен до конца. По крайней мере, часть моей свободы воли может оказаться иллюзией. Первые сомнения возникли в 1980 году. За два года до этого у нас с женой, Розмари, родился первенец. Как назвать дочку? Решение об этом казалось нам тогда одним из самых важных в нашей жизни. Мы хотели выбрать для нее имя не слишком распространенное, но и не слишком редкое, обладающее для нас каким-то личным смыслом, но не слишком личное; в конце концов, это должно было быть ее имя, не наше. Мы читали книги, в которых перечислялись сотни разных имен и объяснялся их смысл, потом выбрасывали эти книги, думали о прозвищах, которые нам не нравились, но которые трудно контролировать… и внезапно обнаружили, что наш выбор – Элизабет Энн.

Я уверен, что отчасти на это повлияло наше уважение к могущественной и деятельной Елизавете I, королеве Англии. Розмари в свое время слушала курс шекспироведения у профессора Хью Ричмонда, я тоже прослушал все его лекции; и Ричмонд, и Шекспир оказали глубокое воздействие на нашу жизнь. А второе имя? Почему Энн? Просто нам показалось, что именно такое сочетание звучит лучше всего. И только через несколько десятилетий я обратил внимание на сходство звучания имени Elizabeth Ann и прилагательного Elizabethan (елизаветинская), обозначавшего ту великую эпоху, когда правила Елизавета I. Неудивительно, что имя звучало гармонично. Так почему же мы назвали дочь именно так: в честь королевы или в честь эпохи? Нам нравились все производные от этого имени. «Элизабет, Лиззи, Бетси и Бесс весною с корзинкой отправились в лес…»[257] Это был очень личный выбор.

По крайней мере, мы так считали. Двумя годами позже, в 1980-м, я прочел в каком-то журнале статью о популярных именах. В том самом 1978 году на севере Калифорнии самым популярным для девочки оказалось имя Элизабет.

Что такое свобода воли? Способность принять решение сделать что-либо, не подвергаясь влиянию извне? А зачем мне, собственно, стремиться делать что-то непременно без постороннего влияния? А если мои действия определяются внешними силами – людьми, которым довелось стать моими родителями; книгами, которые мне случилось прочесть; опытом, который пришлось пережить… – тогда разве это превращает меня в нечто подобное физической частице, пассивно толкаемой туда-сюда другими частицами и реагирующей на действие внешних сил, как планеты реагируют на притяжение своего солнца, обращаясь вокруг него по определенным орбитам? Неужели все представления о том, что я действую самостоятельно, – лишь иллюзия? И я просто щепка, попавшая в барабан сложной машины: меня кидает в разные стороны, а кажется, что это стремительное движение свидетельствует о моей важности?

Когда в конце XIX века классическая физика достигла своего зенита, многим казалось, что она очень скоро сможет объяснить все до конца. Оставалось, конечно, еще несколько проблем – вопросы, связанные с измерением абсолютной скорости движения Земли, и кое-какие аспекты теплового излучения абсолютно черных тел. Потом, правда, эти необъясненные вопросы оказались не такими уж мелкими; со временем они привели к открытию теории относительности и квантовой физики соответственно.

Классическая физика, даже если включить в нее теорию относительности, была целиком детерминистской. Во Вселенной правили бал законы причинности. Прошлое полностью определяло будущее. Это позволяло предположить, что даже поведение, в принципе, определяется предыдущими событиями. Дальнейшие исследования в области теории хаоса показали, что мы, возможно, никогда не сможем узнать прошлое достаточно хорошо, чтобы предсказывать будущее, но аргументов детерминизма это не изменило. Любое действие, включая и действия людей, предопределено; кальвинисты правы. Философам трудно не согласиться с достижениями физиков. Стремительное развитие физики придавало философии (или религии?) физикализма достоверность. Мало того, физикалистское отрицание свободы воли, возможно, дополнительно укрепило растущую убежденность общества, что преступники – жертвы воспитания, и наказывать их несправедливо. За все злодейства должно отвечать общество, а не отдельные люди. Этот странный вывод, кажется, приписывает свободу воли (справиться со злодействами) обществу, отказывая в ней преступникам.

Но сама основа, на которой было выстроено это философское здание, оказалась ложной. Все, что нам нужно для опровержения этого аргумента, – утверждение, будто физика доказывает иллюзорность свободной воли, – это показать, что физика не подчиняется причинности и будущее поведение частиц зависит не только от их прошлого опыта. Я продемонстрировал это в собственной лаборатории.

Когда-то давно в моей лаборатории…

Со времен Ньютона до Гейзенберга по умолчанию считалось, что знание начальных условий определяет будущее любой физической системы. Тем не менее сегодня мы знаем, что два объекта – совершенно идентичных во всех отношениях – могут вести себя по-разному. Два идентичных радиоактивных атома распадаются в разные моменты времени. Их будущее не определяется их прошлым или их состоянием, их квантово-физической волновой функцией. Тождественные условия не порождают одинакового будущего. Причинность влияет на среднее физическое поведение. Но не на конкретное.

Позвольте доказать это самым, как мне кажется, убедительным способом: с помощью моих экспериментов и измерений. В конце 1960-х годов, работая в области экспериментальной физики элементарных частиц, мы с коллегами каждый день пользовались беватроном Лаборатории им. Лоуренса в Беркли[258], чтобы сталкивать между собой протоны. Многие из этих столкновений порождали по две или более частиц, известных как пионы (сокращенное название пи-мезонов). И вот ключевой факт: я смог экспериментально определить, что все пионы, полученные в результате одного столкновения, идентичны, если обладают одинаковым электрическим зарядом. Я имею в виду, по-настоящему идентичны, до самых-самых квантовых глубин. Эти частицы обладают одинаковыми квантовыми волновыми функциями. Они тождественны в том же смысле, в каком исходные электроны на фейнмановских диаграммах идентичны рожденным электронам.

Как я мог определить, что частицы по-настоящему идентичны? От Фила Даубера (физика, который объяснил мне, что 95 %-ной уверенности в нарушении временной инверсии недостаточно) узнал, что волны таких частиц интерферируют между собой. В одних направлениях они усиливаются; в других – гасят друг друга. Такая интерференция наблюдается среди частиц, получающихся в результате столкновения (это часть их «взаимодействия в конечном состоянии», ВКС); в наших данных ее легко можно было увидеть. Частицы разной структуры (состава) не взаимодействуют. Пион не интерферирует с электроном. Электроны могут интерферировать, но только в том случае, если их скрытый внутренний параметр – спин – одинаково ориентирован. В общем, интерференция достоверно показывает, что частицы идентичны по всем, даже скрытым, параметрам внутренней структуры – на всю глубину квантовой физики.

На снимках из своей пузырьковой камеры я видел два идентичных пиона, но при этом они распадались в разное время. Мне и сейчас это представляется очень странным. Два одинаковых бруска динамита с аналогичными запальными шнурами, если поджечь их одновременно, так же одномоментно и взорвутся. Мои идентичные частицы поступили не так. Между двумя этими пионами должна была существовать какая-то разница. Они просто не могли иметь одинаковые волновые функции. И тем не менее интерференция показывала, что они полностью идентичны.

С большинством радиоактивных атомов вы не можете быть уверены в их полной идентичности, несмотря даже на то, что эксперименты Фридмана−Клаузера и Алена Аспе[259] указывают на отсутствие скрытых параметров. В моих наблюдениях, где по-разному вели себя достоверно идентичные частицы, такое возражение можно было смело снимать. Разумеется, я проделал все это не первым, сам метод позаимствовал у Даубера. Все, что я сейчас стараюсь сделать, это привлечь ваше внимание к хорошо известному в физике элементарных частиц классу экспериментов и наблюдений, который имеет прямое отношение к нашему разговору о физикализме и о том, в какой степени прошлое определяет будущее.

Возможно, я не обладаю свободой воли, но те пионы явно ею обладали.

Нет, не хочу сказать, что они по-настоящему обладают свободой воли. Настолько очеловечивать пионы было бы несколько опрометчиво с моей стороны. Скорее, этот пример показывает: физикалистское утверждение о том, что мир полностью детерминирован, опровергается физическими наблюдениями. Идентичные частицы ведут себя по-разному. Следовательно, даже полное знание прошлого с точностью, достаточной для преодоления хаоса, не позволяет предсказать некоторые важные аспекты будущего (к примеру, те, что могут повлиять на продолжительность жизни шрёдингеровского кота). Наиболее мощный исторический аргумент против существования свободы воли, определивший успех классической физики, – утверждение, что физика детерминирована, – сам оказался иллюзией.

Классическая свобода воли

Что такое свобода воли? В конце XIX века, когда классическая физика была на своем пике, наука двигалась вперед гигантскими шагами, попутно объясняя все подряд. Эту цитату приписывают лорду Кельвину:

В физике нет ничего нового, подлежащего открытию. Остается лишь выполнять все более и более точные измерения… Будущие истины физической науки следует искать в шестом знаке после запятой.

Это заявление (неважно, говорил так Кельвин или нет) отразило чувства многих ученых того времени. Все: механика, гравитация, термодинамика, электричество и магнетизм – решительно все вставало, казалось, на свои места. Было похоже, что скоро даже биологическое поведение будет сведено к движению частиц и электрическим сигналам. Полагать, что свобода воли после этого уцелеет, мог только научный пессимист или даже вовсе отрицающий науку.

Философы тогда без конца анализировали свободу воли и приходили к самым разным выводам. Шопенгауэр в 1839 году представил работу «О свободе воли»[260] не в собрании философов, а в Королевском норвежском обществе наук. Он утверждал, что человек не обладает ничем, кроме иллюзии свободы воли:

Ты можешь делать то, что хочешь; но в каждое мгновенье твоей жизни ты можешь хотеть лишь чего-то определенного, и, безусловно, ничего иного, кроме этого одного.

Фридрих Ницше в книге «По ту сторону добра и зла»[261] (1886) назвал свободу воли «недомыслием», возникающим в результате непомерной человеческой гордыни; «совершеннейшей глупостью».

Иммануил Кант (1724−1804), известный в первую очередь философскими трудами, был также выдающимся ученым. Он первым понял, что приливы замедляют вращение Земли, и верно предположил, что Солнечная система образовалась из первичной газовой туманности. Кант прекрасно разбирался в ньютоновской физике и понимал, что она подводит нас к мысли о том, что даже сама жизнь может оказаться детерминированной. Тем не менее он, несмотря на все успехи физики того времени, заключил, что обладает свободой воли на том простом основании, что (как он утверждал) без свободы воли не было бы никакой разницы между моральным и аморальным поведением. А поскольку такая разница есть, свобода воли тоже должна иметь место.

Это довольно смелое и не слишком обоснованное рассуждение, скажет вам любой современный юрист, но мне кажется, заявление Канта допускает и более глубокую интерпретацию. Он чувствовал, что обладает нефизическим, истинным знанием об этике, морали и добродетели. Если исходить из его убежденности в этом знании, свобода воли действительно не может не существовать, ибо в отсутствие выбора все эти концепции не имеют подлинного смысла. Но потребовались бы серьезные подвижки в физике, особенно в представлении о ее квантовых аспектах, чтобы разглядеть реальное сходство между физикой и мыслями Канта о свободе воли[262].

Современный ученый-философ Фрэнсис Крик, один из первооткрывателей двойной спирали в структуре ДНК, не согласен с Кантом. Он предложил следующее:

«Вы», ваши радости и печали, ваши воспоминания и амбиции, ваше ощущение собственной личности и свободы воли – это на самом деле не более чем поведение большого скопления нервных клеток и связанных с ними молекул.

Крик называет это предположение своей «поразительной гипотезой», хотя, на мой взгляд, он просто повторяет мысли многочисленных философов, основывавших выводы либо на существовании всемогущего и всезнающего Бога, либо на замечательных успехах классической физики. Твердые мнения не всегда подкрепляются вескими доводами. Крик, к его чести, назвал это все же «гипотезой», а не выводом, который он сумел сделать на основании исключительно научных данных. Мало того, его вывод, как и вывод Шопенгауэра, нефальсифицируемый, а значит, его нельзя считать подлинно научным[263].

Повторюсь. Вывод, сделанный мной в той части главы, где речь шла о наблюдении пионов, состоит не в том, что пионы обладают свободой воли, – и даже не в том, что люди обладают свободой воли. Просто ключевое предположение философов, что прошлое полностью определяет будущее, не подтверждается современной физикой. Их аргументы, что свободы воли не существует, основаны на ложных предпосылках. Мы не можем сделать вывод, что свобода воли существует, но можем твердо сказать: ничто в науке не исключает ее существования.

Несмотря на то что современная физика допускает существование свободы воли, любое ее проявление не должно противоречить закону возрастания энтропии – закону, по которому более вероятные события происходят чаще, чем менее вероятные. Энтропия – абсолютный ограничитель. Может ли свобода воли преодолеть энтропийную тиранию?

Управление энтропией

Можно ли с помощью нефизического знания повлиять на будущее, изменить его в направлении менее вероятном, чем то, в котором оно развивалось бы само? Ответ на этот вопрос окажется важным, как только мы доберемся до физического источника понятия сейчас; он поможет определить, почему этот момент так важен.

Думаю, ответ очевиден: да. Даже если мы не в состоянии снизить энтропию Вселенной, тем не менее можем манипулировать ее ростом и направлять его так, как нам нужно. Мы в состоянии пользоваться свободой воли, выбирая из доступных вариантов будущего. Вправе решить, куда поставить чашку с чаем – на середину стола или на край. Мы должны определить, протыкать ли перегородку между емкостями с газом и вакуумом. После этого энтропия приведет все в наиболее вероятное состояние, но сначала мы обязаны выбрать начальные условия. Мы – дирижер, а энтропия – наш оркестр.

Деревяшка может сгнить – с увеличением энтропии – или мы можем зажечь спичку и использовать эту же деревяшку для обжига посуды, изготовив с ее помощью чайную чашку, или для толкания поршней в двигателе трактора, с помощью которого мы построим город. Энтропия тоже вырастет, но большую часть ее прироста мы сможем выбросить в пространство как ненужное тепловое излучение. Локальную энтропию – города, окружающей среды, цивилизации – нам вполне под силу снизить. Она уменьшается потому, что мы этого хотим. То, что я говорю, не ново; все это описал Эрвин Шрёдингер в книге «Что такое жизнь?».

Можно ли считать существование свободы воли фальсифицируемой гипотезой? Конечно, с людьми куда сложнее экспериментировать, чем с пионами, но мы, по крайней мере, способны посмотреть, возможен ли такой эксперимент в принципе и что мы подразумеваем под свободой воли. Я попытался это сделать:

Если люди всегда следуют законам вероятности, то свободы воли не существует. Если люди регулярно делают в высшей степени маловероятные вещи, которые невозможно предсказать на основании внешних влияний, то такое поведение и составляет свободу воли.

Это заявление принципиально противоречит заявлению Шопенгауэра, которое уже цитировалось: «Ты можешь делать то, что хочешь; но в каждое мгновенье твоей жизни ты можешь хотеть лишь чего-то определенного, и, безусловно, ничего иного, кроме этого одного». Утверждение Шопенгауэра основано на физикалистских представлениях, уместных в момент расцвета классической физики, но теперь уже не имеющих смысла. Шопенгауэр, представляя свою работу на форуме физиков, не предложил никакого метода для фальсификации (проверки) своей теории.

Я не могу привести никакого физикалистского доказательства того, что свобода воли реально существует. Утверждаю лишь, что нет никаких достоверных доказательств ее несуществования, и нефизическое знание вкупе с признанием того, что не все пути к увеличению энтропии доступны, предлагает альтернативу физикалистскому объяснению свободы воли как психологической иллюзии.

«Мы исходим из той самоочевидной истины…»

В период расцвета классической физики, от Ньютона до Эйнштейна, пока ученые, казалось, наглядно демонстрировали, как эта наука определяет будущее, в философии царила растерянность. Физика постепенно размывала веру во всесильного и активного Бога, и где же тогда было искать источник морали, если таковой вообще существовал? Существует мнение, что с отступлением Бога Просвещение в Европе было попыткой восстановить основания человеческой морали, прежде диктуемые Всевышним. Что лежит в основе этичного поведения? Как устанавливаются стандарты морали, честности и справедливости? И как насчет политического правления? Если правительство не установлено Богом (божественное право королей), откуда же оно черпает свою власть? Каковы надлежащие пределы этой власти?

В эпоху Просвещения грань между добром и злом определялась из псевдонаучных соображений. Всеобщим увлечением была физика. Она устанавливала стандарт использования разума для получения правдоподобных объяснений. Мораль выводилась из здравого смысла и оправдывалась ценностями, которые создавала. В XVIII веке Дэвид Юм[264] разработал эмпиризм – метод, как он говорил, «человеческого познания», способ примирить моральную ответственность с детерминированным миром. (На самом деле неважно, откуда исходит детерминизм – от физики или от Бога.) Этика теперь опиралась не на абстрактные правила, врученные человеку Богом, а на личный интерес и удовольствие, которое мы получаем, помогая другим. У Юма были глубокие озарения, которые мы и до сих пор считаем убедительными, он считается одним из основоположников в области когнитивистики.

Философию Просвещения и после Просвещения невозможно изложить в нескольких книгах, тем более в нескольких абзацах. Поэтому простите мне эту излишне краткую отсылку. Но думаю, в тот период в философии на первый план вышли попытки заменить религию концепциями и идеями, которые были бы столь же мощными, как явно бледнеющий Бог, и могли привести к неким принципам управления обществом. Философы сражались с логикой, разумом и физикой, пытаясь объяснить, почему моральное поведение по-прежнему имеет смысл и почему их новые идеи управления справедливы. Джон Локк[265] утверждал: разум ведет к признанию того, что человек с рождения обладает правами – теми самыми, которые позже красноречиво развил Томас Джефферсон[266]. Правда, мне кажется, Локк искусственно приписывал разуму такую роль.

Дело в том, что не разум заставляет нас говорить, будто права человека самоочевидны, а эмпатия. Жан-Жак Руссо писал о воображаемом примитивном человеческом обществе, притом фундаментально миролюбивом. Томас Гоббс[267] придумал неправдоподобную историю происхождения власти, объясняя ее как общественный договор между правителями и управляемыми. Иммануил Кант, философ и физик, пытался разработать рациональный подход к морали. Джереми (Иеремия) Бентам[268] объявил счастье мерой полезности.

Все эти мыслители рассуждали об идеальных формах, об утопиях. Они придумывали псевдонаучные уравнения – так, Джон Милль[269] объявил целью максимизацию наибольшего блага для наибольшего числа людей, и эта концепция предполагала способность рассчитать ценность цивилизованного поведения[270]. Философы Просвещения искали научное оправдание добродетели.

Теперь, когда я свел Просвещение к тривиальным рассуждениям, что получается?

По-моему, философы были на верном пути. Правда, они ошибочно считали, что их теории должны опираться на какую-то научную структуру, разум, логику и физику. В конечном счете мир не детерминирован; по крайней мере не детерминировано развитие цивилизации. Будущее зависит не только от приложенных в прошлом сил и имевшего место движения, не только от измеримых физических параметров, но и от восприятия нефизической реальности и человеческих действий, реализованных через свободу воли. Это та реальность, которую не получается квантифицировать (оценить количественно) и невозможно свести к разуму и логике.

Свобода воли и запутанность

Может ли свобода воли иметь в основе волновую функцию? Безусловно, это возможно. Чтобы это проиллюстрировать, позвольте немного отклониться в сторону, в философские/физические рассуждения. Я предложу подход, который нельзя считать полноценной физической теорией, поскольку он не поддается фальсификации, но который тем не менее интересно рассмотреть и обдумать.

Представьте, что в дополнение к физическому существует мир духовный. Это мир, в котором есть душа; это царство, в котором эмпатия может действовать и влиять на принимаемые решения. Представьте, что духовный мир каким-то образом связан с физическим. Действие в духовном мире может влиять на волновые функции в реальном. Точно так же и физический мир может передавать информацию и влиять на духовный.

В обычной запутанности двух частиц в физическом мире регистрация одной из них оказывает влияние на волновую функцию другой. Тем не менее эту связь невозможно зарегистрировать или измерить, имея физический доступ только к одной частице. Имея доступ к обеим частицам, вы можете заметить корреляцию между ними, но если видите только одну, ее поведение кажется совершенно произвольным.

Когда я пытаюсь понять собственную душу, эта картина обретает определенный смысл. Действительно, существует духовный мир, отдельный от реального. Волновые функции обоих миров запутаны между собой, но поскольку духовный мир недоступен для физического измерения, эту связь невозможно заметить. Дух способен влиять на физическое поведение – я могу налить чаю или разбить чашку; могу воевать или искать мира – посредством того, что мы называем свободой воли.

Мое рассуждение нельзя проверить экспериментально, но это не означает, что оно неверно. Как учит Гёдель, всегда существуют истины, которые невозможно проверить.

Эгоистичные гены

Эмпатия и сочувствие, чувство честности и справедливости, в принципе, могли развиться из инстинктов, выработанных в ходе дарвиновской эволюции. Это физикалистский взгляд, вера в то, что если что-то невозможно измерить, его на самом деле нет. Такой взгляд ведет к своего рода моральному релятивизму, внушающему тревогу некоторым людям. Мораль перестает быть абсолютной, как во времена глубоких религиозных убеждений, и превращается всего лишь в результат нашей культурной эволюции. Мы не должны кичиться своими моральными принципами, поскольку они носят временный характер и культурно зависимы, а в будущем, возможно, вообще решим, что наши стандарты сильно искажены. В конце концов, не так уж давно гомосексуалов сажали в тюрьму или даже убивали, а незадолго до этого рабство было широко распространено и воспринималось как норма.

Наши этические идеалы можно интерпретировать в дарвиновском смысле как способствующие выживанию, если не индивидуума, то, по крайней мере, гена. Докинз красноречиво изложил эту теорию в увлекательной книге The Selfish Gene[271]. Даже альтруизм, утверждает Докинз, основан на эволюции по Дарвину. Мы готовы жертвовать собой, если это будет означать, что гены, которые делят с нами дети и близкие родственники, клан или род, получат лучшие шансы на выживание. Готов признать, что эта теория чрезвычайно увлекательна, но верна ли она? Это определить намного труднее.

Эмпатия действительно обладает положительной ценностью для выживания гена, но она имеет также отрицательную ценность. Которая из них доминирует? Вы же не захотите, чтобы ваши солдаты испытывали слишком сильную эмпатию к врагам, которых они должны убивать, согласно вашим планам. Совершенно не очевидно, что эмпатия к чужакам могла появиться в результате работы эгоистичного гена. Докинз сказал бы, что доминирует положительная ценность для выживания, но следует ли это из анализа ситуации или просто устраивает его, поскольку соответствует его выводам? Физикалистам следовало быть осторожнее с заявлениями, что мораль возникла в результате эволюции. Это не очевидно и, возможно, не соответствует действительности. Такое предположение точно укладывается в представление о том, что наука может объяснить все, но мы уже знаем, что это не так. Загляните опять же в Приложение 6, где процитированы высказывания некоторых видных физиков-нефизикалистов.

Альтернативное «объяснение» происхождения морали состоит в том, что она исходит из вполне реальной, истинной, но неизмеримой нефизической информации. Сочувствие и эмпатия возникают из знания (веры? ощущения? догадки?), что другие люди тоже обладают глубокой внутренней сутью, душой, как вы сами (это вы точно знаете). Момент, когда вы признаете (поверите?), что другие люди ровно так же реальны, как и вы, можно считать моментом религиозного откровения. Источник любви – эмпатия, а не секс, хотя не исключено, что в выборе сексуальных партнеров на вас влияют эгоистичные гены. Что касается эмпатии, то вас подводят к ощущению (вере? знанию?), что правильный способ вести себя – обращаться с другими в точности так же, как вы хотели бы, чтобы они обращались с вами. Большинство добродетелей легко выводится из этого простого Золотого правила, сформулированного Конфуцием.

Ричард Докинз гордо объявляет себя атеистом – то есть нетеистом. Он утверждает, что его атеизм основан на логике, а рассуждения, в которых игнорируются результаты наблюдений, нелогичны. Его религия – физикализм.

Многие атеисты говорят, что не придерживаются никакой религии, и для некоторых это, возможно, на самом деле так. Но всякий, утверждающий: «Если это нельзя измерить, если невозможно определить количественно, то на самом деле этого не существует», – не обходится без религии. Такие люди часто (говорю на основе собственного опыта) считают, что их подход очевиден, и потому называют его основанным на логике. Они считают свои истины само собой разумеющимися. Стоит вспомнить, что до некоторого момента базовые догматы христианства тоже считались самоочевидными, по крайней мере среди большинства европейцев. Исаак Ньютон в своих религиозных трактатах описывал буквальную веру в Библию.

Что касается понимания реальности, пора признать, что физика неполна. Физикализм – могущественная религия, очень эффективно продвинувшая цивилизацию вперед за счет того громадного значения, которое она придала физике. Но это не значит, что можно использовать этот подход для исключения из наших представлений истин, которые невозможно оценить количественно. Существует реальность по ту сторону физики и математики, и специалистам по этике и моралистам не следует отказываться от каких-то подходов только потому, что они не имеют научной основы. Другим дисциплинам пора перестать преклоняться перед физикой и признать, что не все истины основаны на математических моделях.

Часть V

Сейчас

Глава 24

Четырехмерный большой взрыв

Когда Большой взрыв создает новое пространство, он создает также и новое время… и это новое время – ключ к «сейчас»

О, господи, можно сойти с ума, думая обо всем этом…

Сара Коннор, фильм «Терминатор»

Мгновенья коротки и быстро умирают,

но все их весело и радостно встречают.

Хор юных дев из комической оперы «Пираты Пензанса»

Эйнштейн внес поистине фундаментальные изменения в наши представления о времени. Фейнман счел нужным дополнить их обратным движением в потоке времени. С тех пор, как мне кажется, прогресс в наших представлениях о времени был практически нулевым.

При собирании пазла иногда бывает трудно отыскать недостающую деталь, но настоящие проблемы возникают, если какой-то элемент оказывается не на своем месте. Энтропийное объяснение стрелы времени долгое время служило именно такой неправильной деталькой в общей картине. Цивилизация строится на локальном снижении уровня энтропии, а не на его возрастании. Конечно, видео разбивающейся чашки – прекрасный пример возрастания энтропии и при проигрывании в обратном направлении выглядит совершенно неправдоподобно, но ведь видео изготовления той же чашки при обратной перемотке будет выглядеть ровно так же нелепо.

Энтропия Земли снижается по мере остывания ядра. Локальное снижение энтропии характерно для распространения жизни и цивилизации. Гипотеза о связи времени со снижением уровня энтропии обладает тем очевидным преимуществом, что в ней решающее значение имеют местные колебания энтропии, а не изменение ее уровня в какой-то отдаленной черной дыре. Мало того, в итоге снижение энтропии – существенная составляющая того, что мы называем жизнью: при этом из почвы и воздуха извлекаются разрозненные питательные вещества и превращаются сначала в пищу (посредством деятельности растений), потом в плоть (посредством питания и пищеварения), а затем в рост и знание. Когда в финале энтропия наших тел и правда начинает резко расти, мы называем это явление смертью.

Передний край времени

Мог ли сам Большой взрыв породить движение времени? Да, конечно, уверены многие теоретики, но при этом они считают необходимым включить в схему энтропийный механизм как связующее звено между расширением Вселенной и ходом времени. Большой взрыв создает Вселенную с низким уровнем энтропии и условиями для его увеличения. Но зачем вообще включать в модель энтропию, если ее присутствие позволяет ожидать результатов, которых мы не наблюдаем, таких как локальная корреляция между скоростью хода времени и энтропией? Давайте посмотрим на сам Большой взрыв и на то, как он может непосредственно породить ход времени и смысл понятия сейчас, без необходимости привлечения энтропийного «костыля».

В современной космологической картине, согласно подходу Леметра, галактики не движутся – или, по крайней мере, движутся незначительно; если забыть о небольшом «собственном движении» (таком, к примеру, как наше собственное локальное ускорение в направлении Андромеды), получится, что все они застыли в фиксированных координатах. Хаббловское расширение представляет собой не движение галактик, а создание нового пространства. В этом новообразовании нет ничего загадочного: в общей теории относительности пространство обладает гибкостью и растяжимостью. Оно запросто может расширяться, но при этом будущее такого расширения зависит от уравнения общей теории относительности – уравнения, согласно которому геометрия (метрика) пространства определяется соотношением в нем энергии и массы. В самой элегантной форме оно выглядит обманчиво простым: G = kT.

Что такое Большой взрыв? Взрывное расширение трехмерного пространства? Да – но более разумное, более близкое по духу к принципу унификации пространства и времени предположение, что Большой взрыв – это взрывное расширение четырехмерного пространства-времени. Точно так же, как пространство генерируется хаббловским расширением, создается и время. Непрерывная и бесконечная генерация нового времени определяет и направление стрелы времени, и ее скорость. Каждое мгновение Вселенная становится чуть больше, и времени в ней становится чуть больше; именно этот передний край времени мы и называем сейчас.

Течение времени запущено не энтропией Вселенной, а непосредственно Большим взрывом. Будущее еще не существует (хотя и включается в стандартные диаграммы пространства-времени); оно создается по ходу событий. Сейчас находится на границе, на фронте ударной волны нового времени, приходящего из ниоткуда, на переднем крае времени.

Одновременны ли все сейчас?

Совпадает ли ваше сейчас с моим? Для начала рассмотрим этот вопрос в обычной космологической системе координат, описанной Жоржем Леметром. Все галактики у него покоятся, а пространство между ними расширяется. Можно считать, что в каждой галактике имеются свои часы. Согласно космологическому принципу (встроенному в модель Леметра), все галактики везде выглядят одинаково; они все прожили одно и то же время с момента Большого взрыва, и все часы в них показывают одно и то же. Это означает, что все они переживают момент сейчас одновременно.

Но, как и в специальной теории относительности, концепция одновременности тоже может зависеть от системы отсчета. Возьмем, к примеру, СО с галактикой Млечный Путь в центре. Здесь все галактики движутся от нас прочь, и время в них растягивается; оно бежит медленнее, и моменты сейчас уже не синхронны. В этой системе отсчета с момента Большого взрыва для нас прошло больше времени, чем в других галактиках. Сейчас перестает быть одновременным по всей Вселенной. Наше сейчас наступает первым.

Как и в СТО, такое поведение одновременности не создает противоречия; это свойство общей теории относительности.

Восприятие сейчас

Почему вы чувствуете, что живете в настоящем? На самом деле вы есть и в прошлом тоже; вы это прекрасно знаете. Вы существуете обратно во времени до самого момента рождения (или зачатия, в зависимости от вашего определения жизни). Тот факт, что вы сосредоточены на настоящем, объясняется в первую очередь тем, что настоящее, в отличие от прошлого, подвержено воздействию вашей свободной воли. Согласно физике, как мы ее теперь понимаем, прошлое не определяет будущее полностью; квантовая физика вносит в развитие событий по крайней мере какой-то элемент случайности. Его присутствие означает, что физика неполна, будущее не определяется однозначно прошлым, а нефизические факторы могут сыграть роль в определении того, что должно произойти. И то, что физика неполна, оставляет открытой возможность повлиять на будущее посредством свободной воли.

Не могу доказать, что свобода воли существует, но когда физика включает в себя квантовую неопределенность, она уже не может отрицать возможное существование свободы воли. Если вы обладаете свободой воли, можете воспользоваться нефизическим знанием, чтобы открыть или закрыть возможные пути возрастания энтропии и таким образом повлиять на то, что происходит, и на то, что будет происходить. Вы можете разбить чашку или изготовить новую; ни вероятность, ни энтропия не имеют отношения к вашему решению. Процитируем Джона Драйдена[272]: «То, что прошло, прошло. Даже небо само не имеет над прошлым власти». Кстати – и это плохая новость для любителей научной фантастики, – вы тоже не имеете над ним власти. И никакая петля сквозь кротовую нору этого не изменит.

Физике с помощью повсеместного – и в исследованиях, и в обучении – использования диаграмм пространства-времени долгое время удавалось обходить вопрос о течении времени. Ось времени рассматривается (по большей части) как еще одна пространственная ось; ее особая черта – направленный ход времени – совершенно пропадает из поля зрения. Сейчас представляет собой всего лишь еще одну точку на этой оси, как будто будущее уже существует, просто еще не пережито. В такой системе путешествия во времени оказались бы изменением момента сейчас – сдвигания его вдоль оси времени назад и вперед. Но сейчас невозможно сдвинуть. Сейчас – передний край четырехмерного Большого взрыва. Сейчас – это момент времени, созданный только что. В подлинной диаграмме пространства-времени ось времени не уходит в бесконечность. На сейчас время останавливается.

Может ли будущее влиять на прошлое? Как насчет позитронов – электронов, движущихся назад во времени, приходящих из будущего, чтобы поучаствовать в нынешних взаимодействиях? Да, таков современный подход в физике, той самой, что упорно не замечает сейчас и базируется на бесконечной диаграмме пространства-времени. Означает ли этот современный подход, позволяющий успешно вычислять напряженность магнитного поля электрона с точностью более десяти знаков, что все сделанные в нем предположения верны? Многие физики считают, что да: по крайней мере, до тех пор, пока нет альтернативы.

Возможно, здесь работает своего рода принцип неопределенности. Будущее может повлиять на настоящее только в той мере, в какой некоторая часть этого будущего уже определена и потому неизбежна в настоящем. Хокинг высказывался в пользу этой позиции; он писал, что движение назад во времени возможно только на микроскопическом уровне. Вероятно, он не принял бы позитрон, сфотографированный Андерсоном, за частицу, движущуюся в прошлое.

Однако я готов утверждать, что отдаленного будущего пока не существует – в том смысле, в каком существуют настоящее и прошлое. Прошлое уже определено; что произошло, то произошло; будущего пока нет, потому что мы знаем, что оно непредсказуемо; по крайней мере, на основании нынешних законов физики, неспособных даже предугадать, когда распадется тот или иной радиоактивный атом. Религиозные детерминисты считали, что будущее зафиксировано посредством безупречности и предвидения их всезнающего Бога. Затем некоторое время мы думали, что детерминизм во Вселенной не требует такого Бога; мы считали, что физика справится и сама. Теперь знаем, что это не так.

Уравнение Дирака предсказывало существование антивещества, а Фейнман сумел избавиться от абсурда в интерпретации Дирака – от бесконечного моря заполненных отрицательных энергетических состояний; он понял, что решения, относящиеся к антивеществу, можно интерпретировать как частицы с отрицательной энергией, движущиеся назад во времени, – что придает им, по существу, положительную энергию. Все это история. Фейнман выяснил, что отрицательные энергетические состояния с обратным движением во времени неотличимы от положительных энергетических состояний с прямым движением во времени. Но не будем воспринимать эту интерпретацию слишком серьезно. Позитроны существуют; они обладают положительной энергией и движутся-таки вперед во времени.

Что было, то было. Если уравнения Дирака предсказали существование позитрона через серию витиеватых интерпретаций, прекрасно. Вот вам историческая аналогия. Нильс Бор предложил первую модель, корректно объяснившую спектр водорода; в 1913 году эта модель дала невероятно мощный толчок только зарождающейся области – квантовой физике. Сегодня мы знаем, что теория Бора была ошибочна; она делает определенные предсказания (к примеру, о моменте импульса [угловом моменте] электрона на самой низкоэнергетической орбите), которые не совпадают с наблюдаемыми значениями и, соответственно, фальсифицируют теорию. Неважно. Через 13 лет сразу двое – Гейзенберг и Шрёдингер – предложили теории получше, и вдохновил их на эту работу в значительной мере именно Бор; новые теории давали ровно тот же спектр водорода, но не делали при этом ошибочных предсказаний.

Мы до сих пор почитаем Бора как одного из основоположников квантовой физики. И по-прежнему преподаем модель Бора студентам; это простой и убедительный способ начать знакомство с исследованиями квантового поведения. (Мало кто из профессоров при этом указывает, что теория Бора дает неверные предсказания; не хочется, чтобы студенты знали – интуитивно понятная и простая модель ошибочна; по крайней мере, пока уровень их физического образования не продвинется хотя бы немного.) Когда-нибудь мы станем так же относиться к Дираку, Фейнману и их притянутым за уши теориям антивещества.

Фальсификация космологического происхождения времени. Часть I

Можно ли назвать фальсифицируемой космологическую теорию происхождения времени – включая создание нового времени Большим взрывом, течение времени и смысл понятия сейчас? В одном из возможных способов проверить это используется открытие о том, что расширение Вселенной ускоряется и она увеличивается в размерах со все большей скоростью. Время связано с пространством, это четвертое измерение в системе пространства-времени, поэтому естественно ожидать, что скорость хода времени тоже увеличивается. Это означает, что часы сегодня идут быстрее, чем вчера, и они демонстрируют космологическое ускорение времени. Можно ли как-нибудь зарегистрировать и измерить это?

В принципе, да: изменчивость скорости хода вселенского времени можно заметить, если посмотреть на какие-нибудь далекие часы.

Вспомните, что небольшую разницу в скорости хода часов удалось зарегистрировать в эксперименте Паунда и Ребки с вертикальным гамма-лучом, когда впервые наблюдалось замедление времени в результате действия гравитации. Подобное замедление времени было отмечено также в авиационном эксперименте Хафеле−Китинга, зафиксировавшем, что часы на большой высоте идут быстрее, чем на поверхности Земли, – и медленнее из-за эффекта скорости. Разница эта ежедневно видна в работе системы GPS, куда для компенсации этого временного эффекта приходится вводить поправки. Влияние силы тяготения на время заметно и при измерении спектральных линий на поверхности белых карликов; они демонстрируют сдвиг частоты из-за растяжения времени, потому что сильные гравитационные поля замедляют время на их поверхности.

В принципе, любой из этих экспериментов мог обнаружить также и ускорение времени. Сигналы испускаются в один момент времени, проходят сквозь пространство и принимаются позже. Большая часть наблюдаемых эффектов при этом будет обусловлена гравитационным потенциалом и допплеровским сдвигом, но некоторое превышение дает и космологическое ускорение времени. Эффект не должен зависеть от направления: всегда будет красное смещение (то есть уменьшение частоты); это значит, что наблюдаемая скорость хода из прошлого должна всегда быть меньше скорости хода настоящих часов. Эксперимент Паунда и Ребки показал увеличение частоты для гамма-лучей, идущих вертикально вниз, и показал бы (предположительно) космологическое ускорение времени для гамма-лучей, идущих вертикально вверх; космологическое ускорение времени снизило бы частоту тех и других лучей.

Мы могли бы также поискать аномальное красное смещение у далеких галактик. Галактики, для которых ускорение измерено наиболее точно, испустили свой свет около 8 миллиардов лет назад. Согласно наблюдениям, их скорость отличается от скорости хаббловского расширения примерно на 4 %. Эти галактики отстоят от нас на 8 миллиардов световых лет и удаляются от нас (расстояние увеличивается) со скоростью, равной 40 % скорости света. Часть этой скорости, обусловленная ускорением времени, составляет примерно 2 % скорости света.

Конечно, все далекие галактики и без того демонстрируют красное смещение, но мы приписываем его расширению пространства; тому, что расстояние до них стремительно увеличивается. Это закон Хаббла. Как же отличить красное смещение, обусловленное расширением, от красного смещения, обусловленного космологическим замедлением времени? Один из способов сделать это – отдельно измерить меняющееся расстояние, причем так, чтобы измерение не зависело от обусловленного скоростью красного смещения. Если бы мы знали скорость изменения расстояния, то понимали бы, какая доля красного смещения обусловлена расширением и какая его часть вызвана космологическим замедлением времени.

Прежде чем искать способ это проделать (то есть такой, посредством которого подобное измерение можно было бы завершить при нашей жизни), давайте рассмотрим, можно ли провести такой эксперимент в принципе – если бы у нас были неограниченные ресурсы и терпение. Предположим, мы имели бы на исследование миллиард лет. Не могли бы мы просто посмотреть, с какой скоростью удаляется от нас та или иная галактика, не опираясь на обусловленное скоростью красное смещение? Мы могли бы попытаться найти в галактике «стандартную линейку» – например, размер звезды известного типа – и понаблюдать, как видимая величина этой линейки изменяется со временем, получив таким образом независимую оценку скорости ее удаления. Или мы, может быть, выявили какой-то свет (микроволновое излучение?), который отражается от этой галактики. Цель – отделить красное смещение, обусловленное скоростью расширения, от красного смещения, которое зависит также от собственного замедления времени.

Здесь есть ловушка. Современные представления о расстоянии прочно связаны с измерением времени. Сейчас мы определяем длину метра как расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды. Такое определение означает, что свет или любая по-настоящему лишенная массы частица движется сквозь пустое пространство со скоростью ровно 299 792 458 м/с. Никакое экспериментальное измерение ни при каких обстоятельствах не сможет определить скорость света более точно! Причина определения единицы длины таким образом кроется не в нашей лени; оказывается, очень трудно предложить хорошее определение метра, и ничего лучше просто не удалось найти. Это определение пришло на смену старому методу, когда стандарт длины зависел от эталонного метрового стержня, который держали в специальном хранилище Парижа. Но если в той отдаленной галактике, о которой идет речь, часы идут медленнее (по сравнению с нашими часами), то и эталон – стандартный метровый стержень на одной из планет этой галактики – окажется длиннее, поскольку свет за каждую секунду там успевает пройти большее расстояние. Это означает, что мера длины, определенная по эталонному стержню, будет иной. Получается, что космологическое замедление времени можно спутать с изменением скорости расширения Вселенной.

Вообще говоря, при взгляде на уравнения модели Леметра возникает впечатление, что эта проблема нерешаемая; по крайней мере, в той степени, в которой точен космологический принцип (идеально однородная Вселенная). Может оказаться, что не существует способа отличить расширение пространства от расширения времени. Разумеется, Вселенная не полностью однородна; космологический принцип – всего лишь приближение, позволяющее проводить вычисления и находить решения в рамках простого (для физиков) математического выражения. Может быть, нам удастся воспользоваться неоднородностью пространства, чтобы выявить ускорение времени. Вероятно, это ускорение можно выявить локально; в ходе эксперимента Паунду и Ребке (с гамма-лучами, направленными вертикально вниз с башни) удалось зарегистрировать сдвиг (девиацию) частоты на всего лишь одну миллионно-миллиардную долю (10−15). У меня пока нет никаких практических предложений на этот счет. Немного утешает лишь то, что Дирак, предлагая свой позитрон, тоже считал, что не существует способа обнаружить такую частицу в обозримом будущем.

Фальсификация космологического происхождения времени. Часть II

Еще один возможный способ фальсифицировать (проверить) космологическое происхождение времени зависит от верности инфляционной теории, то есть идеи о том, что в первую миллионную долю секунды Вселенная расширялась со скоростью, многократно превосходящей скорость света. Период такого ускорения предшествовал нынешнему периоду ускорения, и если четырехмерная концепция пространства-времени верна, то расширяться, по идее, должно было не только пространство, но и время. Имеем ли мы возможность наблюдать первую миллионную долю секунды Большого взрыва?

Как ни поразительно, ответ – «может быть». Сейчас о самом раннем доступном для нас периоде после Большого взрыва позволяет судить такое средство зондирования, как микроволновое (реликтовое) излучение; картина его распределения во Вселенной соответствует времени примерно через полмиллиона лет после начала. Но некий потенциальный сигнал возник раньше, в первую миллионную долю секунды: это гравитационное излучение. Есть надежда, что очень скоро мы научимся регистрировать первичные гравитационные волны[273] и они позволят взглянуть на картину, значительно более близкую к моменту творения, возможно, даже в пределах периода, который необходим для наблюдения инфляции. Чтобы увидеть гравитационные волны, нужно посмотреть на обусловленную ими картину микроволнового космического излучения; в первую очередь на его поляризацию.

Некоторое время кое-кто из физиков считал, что нам удалось наблюдать именно это. Первый отчет об открытии таких гравитационных волн был сделан в марте 2014 года проектом под названием BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2)[274]. Этот проект измеряет микроволновое излучение со станции, расположенной на южном полюсе, где экстремальные холода вымораживают из атмосферы водяные пары, мешающие наземным измерениям. К несчастью, результат оказался ложной тревогой; скорее всего, прибор наблюдал помехи от излучения, создаваемого космической пылью.

Сейчас планируются новые, более высокоточные измерения, и есть вполне реальная надежда, что скоро мы действительно увидим гравитационные волны из очень молодой Вселенной, буквально из периода инфляции. И не исключено, что удастся отличить чисто пространственное расширение от расширения, в которое вовлечены и пространство, и время.

Будущее физики

Иногда мне хочется, чтобы Платон оказался прав и все эти вопросы можно было решить в ученых беседах и чистых размышлениях, а абсолютным арбитром истины стал разум. Но история физики говорит, что Платон ошибался. Нам необходимо сохранять контакт с реальным физическим миром, как Антею нужно было касаться земли.

Квантовая запутанность уже с нами и никуда не денется. «Жуткое дальнодействие» уже не пустые рассуждения, а экспериментальный результат, продемонстрированный Фридманом и Клаузером, а также многочисленными последующими экспериментами. Несмотря на то что мы не можем передавать вещество или информацию быстрее скорости света, мгновенный коллапс волновой функции – неудобная проблема, наводящая на мысль, что какой-то другой подход мог бы выявить новые, неожиданные аспекты. Я лелею надежду, что кто-нибудь сумеет переформулировать квантовую физику так, чтобы исчезла нужда в амплитудах вероятности. Когда я учился в Беркли, теоретик Джеффри Чу попытался сделать это с помощью подхода, который он называл «теорией s-матриц». В некоторых важных отношениях его работа привела к созданию современной стандартной модели; цель не была достигнута, и устранить квантовые амплитуды и волновые функции не удалось. Тем временем дальнейшие работы по поиску совершенно новых подходов были отложены в долгий ящик из-за необычайного успеха стандартной модели элементарных частиц. Стандартная модель – лучшая за всю историю физики теория, если говорить о ее способности делать точные предсказания, которые затем подтверждаются экспериментально[275].

Так зачем же что-то менять в теории квантовой физики, если она так замечательно работает? Несмотря на успех стандартной модели, думаю, эта теория еще будет переформулирована. Когда это произойдет, амплитуды перестанут коллапсировать со сверхсветовой скоростью, а позитроны (осмелюсь предположить) не будут больше считаться ни дырками в бесконечном море частиц с отрицательной энергией, ни электронами, движущимися назад во времени. Это был просто удобный способ рассматривать их в контексте пространственно-временных диаграмм, где течение времени полностью отсутствует.

Еще одним огромным шагом в развитии квантовой физики, к тому же отчаянно необходимым, должна стать концепция измерения. Мало кто из физиков на самом деле верит, что для измерения действительно необходимо человеческое сознание. Шрёдингер привел убедительный пример с котом. Но что же такое измерение? Роджер Пенроуз утверждает, что существует некий микромеханизм, часть природы, которая проводит множество измерений. Квантовое состояние, приведшее к возникновению в процессе Большого взрыва структуры, которую мы наблюдаем, не должно было ждать, пока Пензиас и Уилсон откроют реликтовое микроволновое излучение, а Млечный Путь не застыл неподвижно во Вселенной до того момента, когда моя группа вычислила скорость его движения. (Кстати, в какой момент он должен был двинуться – когда аппарат измерил анизотропию или когда я взглянул на данные?) Луна была на небе и до того, как Эйнштейн посмотрел на нее. Какой-то естественный механизм уже заставил волновую функцию – суперпозицию бесконечного числа возможных вселенных – коллапсировать задолго до появления человека (или живого мира).

Развитие техники сделало экспериментальные исследования в области теории измерений намного более реальными. Давно уже для создания запутанных фотонов не нужны пучки атомов кальция; их можно получать, освещая лазерным лучом специальный кристалл, к примеру BBO (бета-борат бария, β-BaB_2O_4) или KTP (титанил-фосфат калия, KTiOPO_4). В результате эксперименты по исследованию квантовых измерений движутся вперед семимильными шагами.

Один из наиболее интересных результатов получен при изучении «отложенного выбора», когда сначала собираются измерения по всем состояниям поляризации и только потом полученные данные анализируются. В подобных экспериментах проверяется, действительно ли измерение неразрывно связано с присутствием человека и его решением, и результаты указывают, что это не так. Хорошо, в этом нет ничего удивительного, но для настоящего прорыва необходимо найти что-нибудь неожиданное, какой-то сюрприз, каким стал для физиков в свое время эксперимент Майкельсона−Морли.

Новые лазерные методы дали возможность тестировать запутанность на гораздо больших расстояниях, чем те, с которыми пытались работать Фридман и Клаузер. На первой полосе New York Times от 22 октября 2015 года был заголовок: «Прости, Эйнштейн, но “жуткое дальнодействие”, кажется, реально». Группа исследователей из Делфтского технического университета в Нидерландах проверила сверхсветовые эффекты, связанные с запутанностью двух электронов на двух разных концах университетского кампуса, то есть на расстоянии, превышающем километр. И вновь копенгагенская интерпретация с ее сверхсветовым действием могла праздновать победу.

Наблюдение гравитационной волны в 2015 году аппаратом LIGO позволяет предложить третье испытание теории сейчас – теории возникновения времени. Когда две черные дыры сливаются воедино и коллапсируют, вокруг них локально должно генерироваться новое время, что можно заметить по возрастанию задержки между предсказанным и наблюдаемым сигналом. Единственная волна, которую пока удалось зарегистрировать, слишком неопределенна для проверки этого предсказания, но если бы нам удалось пронаблюдать множество подобных событий – или более близкое событие с более мощным сигналом, то присутствие или отсутствие этой задержки могло подтвердить или опровергнуть теорию сейчас.

Глава 25

Смысл понятия сейчас

Все детали пазла на месте. Как выглядит картина целиком?

И небеса ведь над былым не властны;

Что было, то прошло, я прожил день прекрасно[276].

Джон Драйден (1685)

Эйнштейн сделал первый серьезный шаг в поисках смысла понятия сейчас, когда понял, что пространство и время пластичны. Леметр применил уравнения Эйнштейна к Вселенной в целом и разработал замечательную модель, в которой пространство расширяется. Несколько лет спустя, когда Хаббл это подтвердил экспериментально, модель Леметра – независимо от него разработанная Фейнманом, Робертсоном и Уокером – стала общепринятой: именно так в настоящее время все космологи интерпретируют Большой взрыв.

Головоломка начала складываться, но дело тормозили несколько ошибок – деталей, насильно втиснутых на чужие места. Одну из таких ошибок сделал Эддингтон, когда отнес стрелу времени на счет возрастания энтропии. В 1928 году, предлагая свою гипотезу, он не знал, что главными вместилищами энтропии служат неизменное микроволновое (реликтовое) излучение и поверхности черных дыр на далеком краю наблюдаемой Вселенной. Как указал Шрёдингер, цивилизация невозможна без локального снижения энтропии, но такое локальное снижение, при подходе Эддингтона, не играет никакой роли в энтропийной стреле времени.

Еще одной ошибочно вставленной на место деталью пазла оказалась неверная интерпретация пространственно-временной диаграммы. Она не показывает ни течения времени, ни момента сейчас и представляет собой удобный повод уйти от этих вопросов. Некоторые теоретики даже интерпретируют отсутствие на диаграмме этих параметров как указание, что такие концепции в принципе не имеют смысла, это просто иллюзии, не играющие в реальной жизни никакой роли. Ошибка такого представления – то, что вычислительный инструмент интерпретируется в нем как глубокая истина. Вообще, это фундаментальная ошибка физикализма: если что-то невозможно измерить количественно, значит на самом деле этого нет. Мало того, все основано на крайнем фундаменталистском варианте физикализма: если этого нет в наших нынешних теориях, значит этого не существует.

Третья ошибка связана еще с одним аспектом физикализма: предположением Эйнштейна и других ученых, что прошлое может и должно полностью определять будущее. Движущей идеей здесь был принцип детерминизма, согласно которому физика должна быть полной. Если квантовая физика не позволяет предсказать точное время радиоактивного распада, то это вопрос квантовой физики: проблема, которую необходимо устранить. Как правило, это предположение отрицает свободу воли, способность человека самостоятельно делать выбор.

Стоит вынуть из картинки неверно вставленные детали – а некоторые из них вообще не имеют отношения к этому сюжету, – и остальное встанет на место естественным образом. Расширяется как пространство, так и время. Элементы времени, в которых квантовая физика уже отработала посредством загадочного процесса измерения, сути которого мы пока не понимаем, – это то, что мы называем прошлым. Мы живем в прошлом ровно настолько же, насколько и в настоящем, но уже случившееся не можем изменять. Сейчас – это тот особый момент времени, который только что возник в процессе расширения четырехмерной (пространство-время) Вселенной как часть продолжающегося до сих пор четырехмерного Большого взрыва. Под течением времени мы подразумеваем непрерывное добавление новых мгновений – тех, которые и создают у нас впечатление, что время движется вперед в непрерывном творении новых сейчас.

Сейчас – единственный момент, когда мы можем оказать какое-то воздействие, направить рост энтропии прочь от себя и таким образом организовать локальное снижение уровня энтропии. Это и станет источником экспансии жизни и цивилизации. Чтобы направить энтропию таким образом, мы должны обладать свободой воли – способностью, которую физикалисты называют иллюзорной, хотя аналогичное поведение встроено в самую суть современной теории квантовой физики.

Существование свободы воли можно было бы фальсифицировать (опровергнуть), если бы нам удалось обнаружить сверхсветовые тахионы – те самые частицы, которые в некоторых системах отсчета будут создавать ситуацию, когда следствие предшествует причине, его породившей. Возможно, изучая запутанность как функцию направления (параллельно или перпендикулярно направлению собственного движения Млечного Пути), мы обнаружим, что для причинности существует особая, выделенная система отсчета. Первый кандидат на эту роль – система Леметра, единственная СО, в которой все сейчас по всей Вселенной создается одновременно. Если что-то подобное подтвердится, придется модифицировать теорию относительности.

Можно представить, что когда-нибудь удастся доказать: принцип неопределенности ошибочен, неопределенность присутствует только в нынешней физической теории, а в более полной версии, которая придет ей на смену, никакой неопределенности уже не будет. Но эксперимент Фридмана−Клаузера, наглядно продемонстрировавший реальность запутанности как явления, подсказывает, что «жуткое дальнодействие» никуда не денется. Дело не в том, что неполна какая-то конкретная физическая теория; неполна сама физика. Это очевидным образом следует из того факта, что физика сама по себе не смогла бы выяснить, и тем более доказать, что число √2 иррационально. Это очевидно также из того, что ясные и четкие, легкие для понимания концепции, составляющие основу нашего восприятия реальности (к примеру, как выглядит синий цвет?), не входят в компетенцию физики.

Попытки приписать всякое альтруистическое поведение инстинкту выживания – неважно, идет речь о выживании наиболее приспособленных организмов или наиболее приспособленных генов – следует считать гипотезами, спекулятивными попытками дать псевдонаучное обоснование морали, основанное на физикалистской догме, что все можно объяснить с помощью науки. Это недоказанное допущение, основанное на единичных разрозненных свидетельствах; по классу оно в подметки не годится ни дарвиновской эволюции (за которой стоит громадный массив данных), ни выводам на основе убедительных научных постулатов, таких как теория относительности или квантовая теория. Физикализм может быть весьма полезен в качестве рабочего принципа профессии физика, точно так же, как вера в капитализм может помочь в управлении экономикой. Но не стоит заблуждаться и считать, что, поскольку физикализм и капитализм успешно повышают уровень жизни и помогают, скажем, выигрывать войны, они, соответственно, представляют истину целиком, во всей ее полноте.

Отказ от физикализма заставляет внимательнее приглядываться к источнику эмпатии и размышлять над ним. Любим ли мы своих детей и внуков только потому, что они несут в себе те же гены, что и мы, или это нечто более глубокое, связанное не только с признанием, но и с ощущением реальности душ близких людей? Идеи этики, морали, добродетели, справедливости и сопереживания, разница между добром и злом – все это может быть привязано к фундаментальному восприятию эмпатии – явлению, лежащему по ту сторону гена и физики.

Свобода воли – это способность использовать нефизическое знание для принятия решений. Задача свободной воли – всего лишь выбор между несколькими доступными вариантами будущего. Свобода воли не останавливает роста энтропии, но может контролировать доступные состояния – а это придает энтропии направление. Свобода воли может быть использована как для того, чтобы разбить чашку, так и для того, чтобы изготовить новую. С помощью свободы воли можно как начать войну, так и найти путь к миру.

* * *

Во многих ситуациях самое сложное – задать верные вопросы. Трудно предсказать, где произойдет новый прорыв в физической науке, кого осенит гениальная идея. Эйнштейн показал, что время – вполне подходящий объект для физического исследования. Мне кажется, он не разобрался со смыслом понятия сейчас по той простой причине, что заранее отказался принять представление о неполноте физики.

Может быть, разобраться в характере взаимодействия между теорией относительности и квантовой физикой или глубинным смыслом измерения удастся еще очень нескоро, но эти вопросы, безусловно, заслуживают дальнейших усилий в этом направлении. Думаю, для успеха здесь вряд ли потребуется сложная математика или заумная философия. Тот, кому удастся совершить прорыв в этой области, сделает это, скорее всего, с помощью нескольких очень простых примеров; не исключено, что ему для этого понадобится всего лишь алгебра – и, возможно, какие-то ссылки на часовую стрелку часов и то, куда она указывает. Может быть, это произойдет, когда какой-то простой эксперимент даст неожиданный результат. Я прогнозирую, что следующий прорыв будет как возвращение в детство; просто кто-то сумеет взглянуть на реальность по-новому и заметить в физике то, что мы, сами того не понимая, всегда считали истиной; после этого он перевернет это нечто с ног на голову. Кто станет новым Эйнштейном? Может быть, вы?

Приложения

Приложение 1

Математика относительности

Это приложение предназначено для тех, кто хотел бы видеть и понимать алгебру и конкретные расчеты, стоящие за теми результатами, которые мы обсуждали в тексте.

В специальной теории относительности каждому событию соответствуют положение в пространстве x и время t. Чтобы не усложнять ситуацию, давайте считать остальные пространственные координаты – y и z – равными нулю. Обозначим координаты и время событий во второй системе координат, движущейся относительно первой со скоростью v, заглавными буквами X и T. Эйнштейн определил, что верные отношения x, t, X и T задаются преобразованиями Лоренца:

X = γ(x − vt)

T = γ(t − xv/c²),

где c – скорость света, а коэффициент замедления времени гамма представлен греческой буквой γ и задается как γ = 1/√(1 − β²), где греческая буква β (бета) представляет отношение скорости объекта к скорости света (β = v/c). По умолчанию в этих уравнениях считается, что особое событие (0, 0) в обеих системах отсчета имеет одинаковые координаты.

Хендрик Лоренц был первым, кто записал эти уравнения и показал, что Максвелловы уравнения электромагнетизма им удовлетворяют. Но только Эйнштейн сумел понять, что они представляют реальные изменения в поведении пространства и времени, а затем и применить их для вывода новых уравнений физики. Уравнения Максвелла при этом изменять не потребовалось, а вот уравнения Ньютона пришлось менять, и Эйнштейн заключил, помимо всего прочего, что масса движущихся объектов увеличивается (я говорю здесь о релятивистской массе, рассчитываемой как γm) и что E = mc².

У преобразования Лоренца есть замечательное свойство: при решении его уравнений относительно x и t получаются уравнения одинакового вида, за исключением знака при скорости. (При решении используется довольно хитрая алгебра, и придется использовать приведенное выше определение γ, но попытайтесь.) Вот результат:

x = γ(X + vT);

t = γ(T + Xv/c²).

В сравнении с предыдущими уравнениями изменение знака (с − на +) – это именно то, чего и следовало ожидать, поскольку по отношению ко второй СО первая система движется со скоростью −v. Тем не менее кажется поразительным, что уравнение имеет тот же вид. Я бы ни за что не догадался, что так получится. Этот факт – часть чуда теории относительности, согласно которой все инерциальные системы отсчета равно годятся для записи уравнений физики.

Растяжение времени

А теперь рассмотрим растяжение времени. Мы будем пользоваться той же терминологией, что и в примере с парадоксом близнецов, о котором шла речь в главе 4. Напомню, что Мэри там отправляется к далекой звезде, тогда как Джон остается дома. Назовем первую систему отсчета системой Джона, а вторую, которая движется относительно первой со скоростью v, системой Мэри. (Это их собственные системы отсчета.) Рассмотрим два события: 1-й и 2-й дни рождения Мэри. Обозначим их время и место в системе Джона как x_1, t_1 и x_2, t_2. Место и время этих же событий в системе Мэри обозначим как X_1, T_1 и X_2, T_2.

А теперь подставим эти величины в уравнения Лоренца. Воспользуемся второй системой:

t_2 = γ(T_2 + X_2v/c²);

t_1 = γ(T_1 + X_1v/c²).

Вычтя второе уравнение из первого, получим:

t_2 − t_1 = γ[T_2 − T_1 + (X_2 − X_1)v/c²].

Возраст Мэри, измеренный в системе отсчета Мэри, составит T_2 − T_1. В этой системе отсчета Мэри не движется, поэтому X_2 = X_1, то есть X_2 − X_1 = 0. Поэтому уравнение упрощается до вида:

t_2 − t_1 = γ(T_2 − T_1).

Можно записать это уравнение в еще более простом виде, если использовать обозначение Δt = t_2 − t_1 и ΔT = T_2 − T_1. (Δ – заглавная греческая буква дельта, которая часто используется для обозначения разностей. Вслух Δt читается как «дельта тэ».) С использованием этого обозначения уравнение принимает вид:

Δt = γΔT.

Это и есть растяжение времени. Промежуток времени между двумя событиями в системе отсчета Джона больше, чем промежуток времени между теми же событиями в системе отсчета Мэри, в γ раз. В примере с парадоксом близнецов, описанном в главе 4, коэффициент γ равнялся 2, так что Мэри, чтобы постареть на 8 лет, потребуется (в системе отсчета Джона) 16 лет.

Линейное сжатие

А теперь посмотрим на линейное сжатие, или изменение длины. При измерении расстояния между объектами в любой системе отсчета мы отмечаем положение (координаты) объектов в один и тот же момент времени и вычитаем одно из другого. Расстояние между двумя одновременными событиями (t_2 = t_1) в собственной системе отсчета Джона составляет x_2 − x_1. Применим первую систему уравнений Лоренца к этим двум событиям:

X_2 = γ(x_2 − vt_2);

X_1 = γ(x_1 − vt_1).

Вычтя второе уравнение из первого, получим:

X_2 − X_1 = γ[x_2 − x_1 − v(t_2 − t_1)].

Поскольку для этого примера два события одновременны в системе отсчета Джона, t_2 = t_1, множитель (t_2 − t_1) = 0. При подстановке этого значения уравнение упрощается до вида:

X_2 − X_1 = γ(x_2 − x_1).

Расстояние между двумя событиями в собственной системе отсчета Джона составляет x_2 − x_1; обозначим эту величину Δx. Длина того же объекта в собственной системе отсчета Мэри (в которой объект покоится) составляет X_2 − X_1; обозначим это ΔX. Получаем уравнение:

Δx = ΔX/γ.

Это и есть уравнение линейного сжатия. Если длина объекта в собственной системе отсчета составляет ΔX, то при измерении в другой системе отсчета эта длина изменится в 1/γ раз. (Обратите внимание: γ всегда больше 1, поэтому длина, то есть линейный размер объекта уменьшится.)

Одновременность

Временная разница между двумя событиями равна t_2 − t_1 = Δt. В другой системе отсчета эти события происходят в моменты времени T_2 и T_1, а временной интервал в этой системе отсчета составит T_2 − T_1 = ΔT. Мы также обозначим разницу координат двух событий (то есть расстояние между ними) в системе Джона Δx, а расстояние между ними в системе Мэри ΔX. Воспользовавшись первым преобразованием Лоренца для времени, получим:

T_2 = γ(t_2 − x_2v/c²);

T_1 = γ(t_1 − x_1v/c²).

Вычитаем одно уравнение из другого и подставляем Δt, ΔT и Δx:

ΔT = γ(Δt − Δxv/c²).

В особом случае, когда в системе Джона оба события происходят одновременно (то есть когда Δt = 0), уравнение упрощается до вида:

ΔT = −γΔxv/c².

Замечательность результата в том, что ΔT – необязательно нуль. Это значит, что в собственной СО Мэри эти события необязательно одновременны, хотя в собственной СО Джона они происходят в один и тот же момент времени. Если я обозначу расстояние между двумя событиями Δx = −D (знак здесь может быть как плюс, так и минус, в зависимости от расположения x_1 и x_2), уравнение примет вид:

ΔT = γDv/c².

Если ни v, ни D не равны нулю, ΔT тоже не равно нулю, и это означает, что два события не одновременны в системе Мэри. Это «временной скачок», который возникает у отдаленного события при переключении с одной системы отсчета на другую. Скачка не возникает, если D = 0, то есть если два события происходят в одной точке (скажем, если Джон и Мэри вновь соединятся). ΔT может быть положительным или отрицательным, в зависимости от знаков D и v.

Скорости объектов и скорость света

Здесь я покажу, почему скорость света одинакова во всех системах отсчета.

Если некоторый объект движется, мы можем обозначить как x_1 его координату в момент времени t_1 и как x_2 – его координату в момент t_2. Представьте, что на самом деле это два события. Скорость нашего объекта такова: v = (x_2 − x_1)/(t_2 − t_1) = Δx/Δt. В другой системе отсчета: V = (X_2 − X_1)/(T_2 − T_1) = ΔX/ΔT. Мы можем воспользоваться преобразованием Лоренца, чтобы сравнить эти две величины. Обозначим буквой u относительную скорость двух СО, чтобы можно было использовать v и V для обозначения скорости объекта в каждой из двух систем. Запишем преобразование для двух событий и вычтем одно из другого:

ΔX = X_2 − X_1 = γ[(x_2 − x_1) − u(t_2 − t_1)] = γ[Δx − uΔt];

ΔT = T_2 − T_1 = γ[(t_2 − t_1) − u(x_2 − x_1)/c²] = γ[Δt − uΔx/c²].

А теперь разделим одно уравнение на другое, чтобы исключить γ:

Это уравнение для преобразования скорости, позволяющее выразить скорость V во второй системе отсчета через v – скорость в первой системе отсчета.

Пусть v = c, то есть объект (к примеру, фотон) движется со скоростью света в первой СО. Во второй системе отсчета его скорость равна:

вне зависимости от u, относительной взаимной скорости двух систем отсчета. Если v = c, то V = c. Объекты, движущиеся со скоростью света в какой-то одной системе отсчета, движутся с той же скоростью и во всех остальных системах. Попробуйте подставить в уравнение v = −c и посмотрите, что получится. Удивлены?

Аналогичный вывод показывает, что c не меняется даже при произвольном направлении света[277].

Этот результат объясняет неудачу опыта Майкельсона−Морли в 1887 году, когда исследователи хотели обнаружить разницу скорости света в двух направлениях, первое из которых параллельно движению Земли, а второе – перпендикулярно этому движению.

Время-перевертыш

Очень интересные вещи происходят, если два разделенных события близки по времени. Воспользуемся еще одним уравнением (взятым из приведенных выше рассуждений об одновременности):

ΔT = γ(Δt − vΔx/c²) = γΔt[1 − (Δx/Δt)(v/c²)].

Определим ∆x/∆t = VE. Это псевдоскорость, которая «соединяет» два события. Записанное нами вовсе не означает, что чему-то действительно придется двигаться от одного события к другому; это просто скорость, с которой нужно было бы двигаться, чтобы присутствовать при обоих событиях. Может ли VE быть больше c? Да, конечно. Любые два разделенных события, которые происходят одновременно, имеют бесконечную VE. Это не физическая скорость. Используя эту новую величину, мы можем записать:

ΔT = γΔt(1 − VEv/c²).

Будем считать для примера, что разность ∆t положительна. Уравнение показывает, что ∆T, в принципе, может быть и отрицательной. Для этого нужно всего лишь, чтобы отрицательное слагаемое в скобках было по модулю больше 1. Это означает, что в новой системе порядок событий может смениться на обратный. Такой результат может повлечь за собой самые разные следствия для причинной зависимости.

Чтобы VEv/c² было больше единицы, VE/c должно быть больше, чем c/v. Не забывайте, v – это скорость, связывающая две системы отсчета; она в любых обстоятельствах должна быть меньше c. Это означает, что c/v всегда будет больше единицы. Это уравнение говорит, что если VE/c больше, чем c/v (что тоже делает его больше единицы), то порядок событий в двух системах отсчета меняется на обратный. Еще раз обратите внимание, что величина VE ничем не ограничена, поскольку это всего лишь псевдоскорость, призванная «соединить» два события, и что для двух сильно разнесенных в пространстве событий, но происходящих одновременно, величина VE будет бесконечна.

Математика парадокса шеста и сарая

Обратимся вновь к главе 4. В системе отсчета, связанной с сараем, шест входит концом в дверь и продолжает двигаться, пока не упрется в заднюю стену. Определим t_1 = 0 как момент, когда передний конец шеста доходит до задней стены, и выберем систему координат так, что в этой точке x_1 = 0. Из-за лоренцева сжатия в системе отсчета, связанной с сараем, задний конец шеста поравняется с дверью в этот же момент, при t_2 = 0, в точке x_2 = −6 м.

Теперь рассчитаем, что происходит в системе отсчета, связанной с шестом. Передний конец шеста упрется в заднюю стену сарая в момент T_1 с учетом уравнения преобразования Лоренца:

T_1 = γ(t_1 − x_1v/c²) = 2(0 − 0v/c²) = 0.

Задний конец шеста поравняется с дверью в момент:

T_2 = γ(t_2 − x_2v/c²) = 2(0 + 6v/c²).

Вычислив v/c из γ = 2, получаем β = v/c = 0,866. Таким образом:

T_2 = 2(0 + 5,196/c) = 10,392/c.

Воспользовавшись значением скорости света c = 3·10^8 метров в секунду (м/с), получим, что шест целиком войдет в сарай за T2 = 34,64/10^9 с = 34,64 × 10−9 с. Так что в момент, когда передний конец шеста упрется в стену, задний его конец еще не дойдет до двери. Она поравняется с ней через 34,64 наносекунды (миллиардной доли секунды).

Вычислим в системе отсчета, связанной с шестом, где будет находиться его задний конец, когда передний упрется в стену. Воспользуемся уравнением:

x_2 = γ(X_2 + vT_2).

Решив его относительно X_2 и подставив v = 0,866c, x_2 = −6 метров и T_2 = 10,392/c, получаем:

X_2 = x_2/γ − vT_2 = −6/2 − 9 = −12 (метров).

Этот ответ вполне соответствует нашим ожиданиям. В системе шеста, когда передняя его часть упирается в стену, задняя находится от нее на расстоянии −12 метров. Эта точка отстоит на 12 метров от задней стены сарая, что соответствует данным, что шест в этой системе отсчета имеет длину 12 метров.

Разрешение парадокса кроется в том, что два конца шеста одновременно находятся внутри сарая в системе отсчета, связанной с сараем, но в системе, связанной с шестом, они, хотя и попадают оба внутрь сарая, но делают это не одновременно: задний конец шеста проходит в дверь чуть позже, чем передний упирается в стену. Когда шест оказывается внутри, если его движение внезапно прекращается (оба конца шеста в системе сарая останавливаются одновременно), он потеряет свое линейное сжатие и внезапно удлинится до полной 12-метровой длины, проломив при этом какую-то из стен сарая или обе.

Математика парадокса близнецов

Поскольку для Мэри замедление времени составляет γ = 2, мы можем рассчитать, что отношение ее скорости к скорости света равно β = 0,866. В этом примере парадокса близнецов есть несколько важных систем отсчета: СО Джона (мы будем называть ее системой Земли), удаляющаяся система отсчета Мэри (собственная СО Мэри на пути туда, движущаяся со скоростью v = 0,866c) и приближающаяся система отсчета Мэри (ее собственная СО на обратном пути, движущаяся со скоростью v = −0,866c). Наконец, собственная система отсчета Мэри представляет собой комбинацию двух перечисленных, поскольку она какое-то время движется с ускорением и переходит из одной лоренцевой системы в другую[278].

В системе Земли мы можем вычислить расстояние до интересующей нас звезды из того факта, что Мэри летит к ней со скоростью, равной 0,866 скорости света, и весь путь занимает 8 лет; это расстояние равно 0,866 × c × 8 = 6,92c, или 6,92 световых года. В собственных системах отсчета Мэри при удалении от Земли и возвращении к ней расстояние составляет 6,92c, деленное на коэффициент лоренцева сжатия γ, то есть 3,46c. В системе Мэри время, которое занимает у нее путь к звезде, равно расстоянию 3,46c, деленному на скорость 0,866c, и равно 4 годам. Так что и в системе Земли, и в удаляющейся системе Мэри, когда она долетит до звезды, будет 4 года. Точно так же на обратном пути она подрастет еще на четыре года, и по возвращении ей будет 8 лет.

Джон в системе Земли покоится. В этой системе путешествие Мэри занимает 8 лет в одну сторону. Когда Мэри вернется, Джон будет старше нее, ему исполнится 16 лет.

А теперь рассмотрим те же события в системе отсчета, связанной с Мэри. Эта система движется с ускорением, поэтому мы будем проводить вычисления в три этапа. Сначала воспользуемся ее удаляющейся системой, которая движется со скоростью +v относительно систем Земли. Затем она на какое-то время остановится у далекой планеты; ее собственная система станет идентична системе Джона; наконец, она отправится в обратный путь, разгонится, и ее собственная система будет двигаться со скоростью −v относительно системы Земли.

На первом этапе, от Земли до звезды, Мэри в своей собственной системе покоится. Джон движется со скоростью −v и взрослеет со скоростью 1/γ лет. Мэри летит до звезды 4 года (конечно, в этой системе именно звезда движется к ней; сама она покоится). За это время Джон взрослеет всего на 4/γ = 2 года.

Затем Мэри останавливается у звезды (вероятно, на какой-то близлежащей планете, не на самой звезде). Теперь ее собственная система отсчета идентична системе Земли, так что, хотя ей 4 года, Джону (в этой системе) одновременно уже 8 лет. Это первый временной скачок. Дело не в том, что Джон мгновенно взрослеет; дело в том, что Мэри сменила одну лоренцеву систему отсчета на другую, и в новой ее собственной системе события, которые были одновременными в старой, больше не одновременны. Мэри знает, что в удаляющейся системе отсчета (в которой она больше не покоится), Джон по-прежнему младше нее. Но в системе планеты, идентичной земной системе, Джон старше. И Джон, и Мэри согласились бы с этими рассуждениями.

Обратите внимание: «скачок» в одновременном возрасте Джона составил 6 лет (с 2 до 8). Это соответствует уравнению временного прыжка, приведенному выше:

Δt = γ(ΔT − ΔXv/c²).

Здесь Δt – скачок возраста Джона. (Его возраст на Земле идет в соответствии с временем в земной системе отсчета.)

Далее Мэри второй раз меняет собственную систему отсчета: ускоряется для движения обратно к Земле. Подставляем ΔX = −3,46c (расстояние в возвращающейся системе), ΔT = 0 (события одновременны), γ = 2 и v/c = −0,866, получаем:

Δt = 2(0 + 3,46 × 0,866) = 6 (лет).

Это второй скачок возраста Джона, от значения в системе отсчета у звезды к его возрасту в возвращающейся системе; то и другое совпадает по времени с четвертым днем рождения Мэри. Одновременный возраст Джона в ускоряющейся собственной системе отсчета Мэри сменяется с 8 на 14. За время обратного полета Мэри Джон взрослеет еще на 2 года – и когда Мэри наконец возвращается, ему 16 лет.

Таким образом, при вычислении как в системе Джона (не испытывающей ускорений), так и в системе Мэри (испытывающей ускорения), получаем, что когда они вновь встретятся, Джону будет 16 лет, а Мэри лишь 8.

Вообще, не стоит вычислять что бы то ни было в ускоряющихся системах отсчета, если этого можно избежать. Скачки одновременности настолько контринтуитивны, что с ними трудно разбираться. Просто держитесь за любую неускоряющуюся систему отсчета – и можете быть уверены, что в любой другой системе, пойдя в вычислениях по сложному пути, вы получили бы ровно те же результаты.

Математика тахионного убийства

Назовем событием 1 выстрел из тахионного ружья, а событием 2 – смерть жертвы. Δt = t_2 − t_1 = +10 наносекунд, и Δx = x_2 − x_1 = 12 метров. Это означает, что тахион движется со скоростью 12/10 = 1,2 метра в наносекунду, то есть примерно 4c. Знак плюс означает, что жертва умирает после того, как я стреляю, поскольку значение времени смерти больше, чем значение времени выстрела.

А теперь рассмотрим эти два события в системе отсчета, движущейся со скоростью v = ½c. Тогда β = 0,5; γ = 1/√(1 − β²) = 1,55. Используем уравнение скачка времени:

ΔT = γ(Δt − Δxv/c²) = γΔt[1 − (Δx/Δt)(v/c²)].

Подставляем γ = 1,55; Δt = 10 наносекунд; v/c = 0,5 и Δx/Δt = 4с и сокращаем c, получаем:

ΔT = (1,55)(10 наносекунд)[1 − (0,5)(4)] = −15,5 наносекунды.

То, что интервал времени получился отрицательным, означает, что порядок событий изменился на обратный. Жертва застрелена в момент времени T_2, но поскольку T_2 − T_1 меньше нуля, число T_1 больше. Следовательно, T_1, момент выстрела, происходит в большее – то есть более позднее – время.

Обратите внимание также, что если Δx/Δt = VE меньше, чем скорость света c, – то есть если пуля движется с досветовой скоростью, – такая смена порядка событий невозможна. Чтобы события поменялись местами, VE/c должно быть больше, чем c/v, а c/v всегда больше 1. Так что для любых двух событий, которые можно связать с помощью сигнала, движущегося со скоростью меньше скорости света, порядок, в котором они происходят, будет одинаковым для всех допустимых систем отсчета – то есть для всех систем, для которых v меньше c. Мы называем такие события времениподобными. Пространственноподобными называют события, разделенные таким большим расстоянием, что для их соединения скорости света недостаточно.

Математика гравитационного эффекта времени

Эйнштейн постулировал, что течение времени в гравитационном поле можно рассчитать исходя из предположения, что оно эквивалентно течению времени в ускоряющейся системе отсчета. Этим мы сейчас и займемся.

Предположим, у нас имеется ракета высотой h, которая находится в такой области пространства, где отсутствует гравитация. Ракета движется носом вперед с ускорением, соответствующим ускорению свободного падения в поле тяготения Земли, g = 32 фута в секунду в квадрате (9,8 м/с2). Будем считать, что верх и низ ракеты ускоряются одновременно в системе отсчета, связанной с первоначальной позицией ракеты. Через время Δt система отсчета, связанная с ракетой, движется со скоростью v = gΔt относительно первой СО (при условии, что начальная скорость ракеты равна нулю).

Воспользуемся уравнением из примера про тахионное убийство, чтобы вычислить соответствующий интервал времени в верхе ракеты:

ΔT = γ(Δt − Δxv/c²).

Подставив Δx = h и v = gΔt и считая приближенно (для нерелятивистских скоростей), что γ = 1 (β ≈ 0), получим:

ΔT = Δt − hgΔt/c².

Разделим на Δt:

ΔT/Δt = 1 − gh/c².

Отсюда видно, что на высоте h интервал времени для верха, ΔT, меньше, чем интервал времени в нижней части, Δt. Часы в верхней части ракеты идут быстрее. В более общем случае это уравнение часто записывается как:

ΔT/Δt = 1 − ø/c²,

где ø – разность гравитационных потенциалов. К примеру, потенциал на поверхности Земли, в сравнении с бесконечностью, будет: ø = GM/R, где M – масса Земли, G – гравитационная постоянная, а R – радиус Земли.

Во многих учебниках эта формула выводится совершенно иначе, из красного смещения света, направленного с верхушки некоего ящика к его основанию. Я предпочитаю тот подход, который только что изложил, потому что в нем явно используется принцип эквивалентности, положенный в основу общей теории относительности Эйнштейна; в этом подходе видно, что эффект возникает благодаря слагаемому xv/c² в уравнениях Лоренца – тому самому слагаемому, которое приводит и к нарушению одновременности.

Приложение 2

Время и энергия[279]

Самое завораживающее, точное и (для физика) практичное определение энергии оказывается в то же время и самым абстрактным – слишком абстрактным даже для того, чтобы говорить о нем в первые несколько лет обучения университетской физике. Оно основано на наблюдении, что истинные уравнения, такие как E = mc², завтра будут не менее истинными, чем сегодня. Это гипотеза, которую большинство людей принимает на веру как нечто само собой разумеющееся, хотя кое-кто не прекращает ее тестировать. Если вдруг обнаружится какое-то отклонение, это станет одним из самых глубоких и важных открытий в истории науки.

На физическом жаргоне то, что уравнения не меняются, называется инвариантностью во времени (временной инвариантностью, то есть неизменностью). Это не означает, что в физике ничего не меняется; если объект движется, его положение в пространстве изменяется со временем, его скорость изменяется со временем, вообще, множество вещей в физическом мире меняется со временем – но только не уравнения, которые описывают это движение. В следующем году мы вновь будем рассказывать студентам, что E = mc², потому что это по-прежнему будет правдой.

Свойство временной инвариантности кажется тривиальным, но его математическое выражение может привести к поразительному выводу – доказательству того, что энергия сохраняется. Это доказательство обнаружила Эмми Нётер. Как и Эйнштейн, она бежала из нацистской Германии и поселилась в США.

Следуя описанной Нётер процедуре и начав с уравнений физики, мы всегда можем найти такую комбинацию параметров (координата, скорость и т. п.), которая не будет изменяться со временем. Когда мы применяем этот метод в простых случаях (в классической физике с силой, массой и ускорением), величиной, которая не меняется со временем, оказывается сумма кинетической и потенциальной энергии – иными словами, классическая (полная) энергия системы.

Вот это открытие. Мы и так знаем, что энергия сохраняется.

Но теперь получаем интереснейшую философскую связь. Вот и причина, по которой сохраняется энергия: все дело во временной инвариантности!

Есть и еще более значительный результат: такая процедура работает даже тогда, когда мы применяем этот метод к гораздо более сложным уравнениям современной физики. Представьте следующий вопрос: что, собственно, сохраняется в теории относительности? Энергия или энергия плюс энергия, заключенная в массе? Или еще что-нибудь? А как насчет химической энергии? Или потенциальной? Как рассчитать энергию электрического поля? Что по поводу квантовых полей, тех, к примеру, что сдерживают ядро атома? Их тоже включать? Вопрос за вопросом, и ни на один нет интуитивно понятного ответа.

Сегодня, когда возникают подобные вопросы, физики прибегают к открытому Нётер методу и получают однозначный ответ. Примените этот метод к релятивистским уравнениям движения Эйнштейна, и получите новую энергию, в которую войдет и энергия массы, mc². Применяя метод Нётер к квантовой физике, получите слагаемые, описывающие квантовую энергию.

Значит ли это, что «старая энергия» не сохранялась? Да, значит; если мы доработали уравнения, то, оказывается, не только частицы движутся иначе, чем предсказывалось ранее, но и вещи, которые, как мы считали, сохраняются, на самом деле не сохраняются. Классическая энергия больше не константа; мы должны включить в нее энергию, скрытую в массе, – и энергию квантовых полей. По традиции «энергией» системы называем сохраняемую величину. Так что, хотя сама энергия и не меняется со временем, меняется ее определение, поскольку мы продолжаем копать и открываем все более глубокие уравнения физики.

Подумайте вот о чем: правда ли те же самые физические уравнения, что работают в Нью-Йорке, действительны и в Беркли? Конечно. На самом деле такое наблюдение нетривиально; у него чрезвычайно важные следствия. Мы говорим, что уравнения не зависят от местоположения. Разными могут быть массы или электрические токи – но это все переменные параметры. Ключевой вопрос в том, различаются ли в разных географически местах уравнения, которые описывают физику поведения объектов и полей.

Уравнения, с которыми мы сегодня имеем дело в физике, – те, что входят в стандартную науку и экспериментально проверены, – работают всюду. Кое-кто считает это настолько поразительным, что тратит жизнь на поиск исключений из этого правила. Такие люди вглядываются в очень далекие объекты, как отдаленные галактики или квазары, и надеются увидеть, что там законы физики чуть-чуть отличаются от наших. До сих пор не удалось найти ничего подобного.

А теперь о замечательном следствии. Та же самая математика Нётер, что работает с уравнениями, не изменяющимися со временем, действительна также и для уравнений, которые не изменяются с местоположением. Воспользовавшись методом Нётер, мы можем найти комбинацию параметров (массы, координат, скорости, силы), которая и с переменой локации остается прежней. Применив эту процедуру к классической физике Ньютона, мы получим величину, равную произведению массы на скорость, – то есть классический импульс. Мы знаем, что импульс сохраняется, а теперь знаем также, почему сохраняется. Дело в том, что уравнения физики инвариантны относительно положения в пространстве.

Той же процедурой можно воспользоваться в теории относительности и квантовой физике, а также в их комбинации, известной как релятивистская квантовая механика. Комбинация, которая не меняется со временем, здесь выглядит немного иначе, но мы все равно называем ее импульсом. Она содержит релятивистские члены – а также электрическое и магнитное поля и квантовые эффекты, – но по традиции мы продолжаем называть ее импульсом.

Тесная связь между временем и энергией переносится и в квантовую физику с ее принципом неопределенности. Согласно квантовой физике, энергия и импульс части системы обычно неопределенные, хотя мы и можем их определить. Вероятно, нет возможности точно измерить энергию конкретного электрона или протона, но принцип не предусматривает аналогичной неопределенности для полной энергии системы. В большом наборе частиц энергия может перемещаться между различными частями системы, но полная ее энергия фиксирована; она сохраняется.

В квантовой физике поведение волновой функции во времени имеет слагаемое eiEt, где I = √−1, E – энергия, t – время. Когда Дирак решил свое уравнение для электрона, обнаружил, что в нем содержатся отрицательные энергии; именно это вынудило его предположить, что Вселенная представляет собой бесконечное море электронов с отрицательной энергией. Фейнман нашел этому другую интерпретацию. Он предположил, что отрицательной величиной оказывается не энергия E, а время t, тоже присутствующее в качестве сомножителя. Вместо отрицательной энергии у него появились электроны, движущиеся назад во времени, и Фейнман опознал в них позитроны.

В теории относительности физики видят пространство и время тесно переплетенными, а их комбинация носит название пространство-время. Инвариантность физики во времени ведет к сохранению энергии системы. Инвариантность в пространстве ведет к сохранению импульса. Если совместить то и другое, то инвариантность физики в пространстве-времени ведет к сохранению величины, известной как энергия-импульс. Ученые рассматривают энергию и импульс как два аспекта одного и того же. С этой точки зрения они скажут, что энергия – четвертый компонент четырехмерного вектора энергии-импульса. Если три компонента импульса обозначить как px, py и pz, то вектор энергии-импульса будет выглядеть как (px, py, pz, E). Разные физики расставляют эти четыре компонента в разном порядке. Некоторые считают энергию настолько важной, что ставят ее на первое место. Тогда они называют энергию нулевым, а не четвертым компонентом вектора: (E, px, py, pz).

Электрическое и магнитное поля тоже объединены в теории относительности, но более сложным способом. Вместо трехмерного вектора электрического поля (Ex, Ey, Ez) и трехмерного вектора магнитного поля, обычно записываемого (Bx, By, Bz), в теории относительности они становятся компонентами четырехмерного тензора F (от field – поле), который записывается так:

Матрица кажется сложной, и каждый компонент в ней повторяется дважды, но у нее есть преимущество: чтобы получить новый тензор F в другой системе отсчета, мы пользуемся теми же релятивистскими уравнениями, которые применяли при поиске пространственных координат и времени. Кроме того, вместо включения в наши уравнения отдельно электрического и магнитного полей просто включаем туда F. Уравнения при этом выглядят проще. Это позволило объединить электрическое и магнитное поля – то есть сделать их как бы частями одного более крупного объекта, тензора поля, а не двух отдельных сущностей.

Приложение 3

Доказательство иррациональности √2

Если предположить, что число √2 рационально, это будет означать, что это число можно записать в виде I/J, где I и J – целые числа. А теперь, если удастся свести это утверждение к противоречию, мы докажем, что наше первоначальное предположение ложно.

Если I и J четные, можем упростить дробь на общий делитель 2 и повторить это действие столько раз, сколько понадобится, чтобы хотя бы одно из этих чисел стало нечетным. Это значит, что если √2 = I/J, то можно записать также √2 = M/N, где по крайней мере одно из чисел M и N или оба нечетные.

M/N = √2. Возведем это уравнение в квадрат и умножим на N, получим M² = 2N². Поскольку M² получается умножением на два, это число четное. Значит, M тоже четное, поскольку квадрат нечетного числа всегда нечетный. А теперь я покажу, что N тоже четное.

Поскольку M четное, мы можем записать его как M = 2K, где K – еще одно целое число. Возведя это уравнение в квадрат, получим M² = 4K². Чуть ранее мы показали, что M² = 2N², поэтому 2N² = 4K². Разделив на 2, получим N² = 2K². Следовательно, число N² четное, а значит, и N – тоже четное.

Мы получили противоречие с нашим выводом, что хотя бы одно из чисел M и N должно быть нечетным. Единственной возможной причиной (поскольку в остальном мы строго следовали правилам математики) оказывается то, что наше первоначальное предположение – о том, что √2 можно записать как I/J, – неверно. Таким образом, иррациональность √2 доказана.

Этот результат так интересен, в частности, потому, что его никак невозможно получить в рамках физики. Никакое измерение не в состоянии продемонстрировать, что число √2 иррационально. Это истина, лежащая за пределами физических измерений; она существует только в человеческом сознании. Это нефизическое знание.

Если интересно, можете попробовать доказать аналогичным способом, что иррационально число √4. Разумеется, это не так; √4 = 2/1. Попробуйте просто применить подход, который мы только что использовали, и посмотреть, где он не сработает.

Приложение 4

Творение

Вначале было лишь ничто –

и не существовало

ни Солнца, ни Земли,

ни космоса, ни времени –

и пустота зияла.

Возникло время – и раздался взрыв:

ничто изверглось, словно лава,

наполнилась огнем живым

вселенская душа –

и сердце мира

в волнении затрепетало.

Стремительно как свет росло пространство,

а огненные бури утихали,

и появилась

материя первейшая.

Необычайно хрупкие песчинки,

из коих состоит Вселенная,

перемешались в беспорядке,

казалось, ожидая мощной силы,

которая бы усмирила их.

Вселенная остыла,

материя начала дробиться.

Она дробилась и дробилась

до предела. Мельчайшие частицы

(электроны, глюоны, кварки)

бросалися друг к другу, но бело-голубое пламя, что жгло нещадно,

не позволяло им соединиться.

Пространство расширялось,

а пламя остывало от бела до красна,

и наступила темнота.

И вот остановилось жженье,

частицы сжались и слилися

в атомы:

то были водород и гелий, из которых

все в нашем мире состоит.

Затем под силой притяженья

Те атомы соединились,

Из них возникли облака, и звезды, и галактики,

и их скопленья. И в пустоте впервые

Пространство появилося пустое.

И в звездном облаке

скопилось вещество –

материя

сжималась, нагревалась

и зажглась, и вот он – свет!

И ядра, что сокрыты

внутри таинственной звезды,

вдруг обратились в топливо

и через много лет

наполнили Вселенную всем, веществом –

то были углерод и кислород, железо –

материя жизни,

материя, что зарождалась долго в недрах звезд.

Горело и страдало сердце

таинственной большой звезды. И обессилело вконец,

забилось в судорогах… Но… О чудо! Вспышка –

гравитационная энергия наружу вырвалась и, обрушая жар, воспрянула

и стала ярче тысяч звезд Сверхновая звезда!

Да, ярче, ярче тысяч, мириадов звезд,

светлее, чем галактики.

Крупицы углерода, железа, кислорода

исторглись в космос,

свободу обрели – и обратились в пыль.

То пепел был звезды

и жизни суть.

Что далее?

В галактике с названьем Млечный Путь,

что в сверхскопленье Девы,

пылинки делятся, соединяются, рождая

новую звезду. А рядом

из звездной пыли появляется планета.

И молодое Солнце сжимается и зажигает, согревая своим теплом

младую, девственную Землю.

Приложение 5

Математика неопределенности

Принцип неопределенности в физике – всего лишь следствие из того, что частицы обладают волновыми свойствами.

Фундаментальная математика волновых колебаний разработана достаточно давно, и в ней есть знаменитая теорема, согласно которой буквально любой импульс можно представить в виде суммы бесконечных, но при этом непрерывных гармонических колебаний (синусоидальных и косинусоидальных). Эта область математики носит название Фурье-анализа[280] и считается частью продвинутого интегрального исчисления. Студентов на занятиях часто просят представить «квадратную волну» (периодический сигнал, состоящий из последовательности одинаковых прямоугольных импульсов) в виде суммы синусов и косинусов.

В Фурье-анализе есть одна очень важная теорема. Суть ее такова: если волна состоит из одного короткого импульса, такого, что большая его часть располагается в небольшой области ∆x (читается «дельта икс»), то для ее описания с помощью синусов и косинусов потребуется много различных длин волн. Длины волн в математике обычно описываются числом k. Это такое число, что k/2π – это число целых волн (полных циклов), которое укладывается в единицу длины. Физики называют k пространственной частотой, или волновым числом (связанное понятие – волновой вектор: вектор, модуль которого равен волновому числу, а направление перпендикулярно волновому фронту). Волна, целиком заключенная в интервал ∆x, должна содержать некоторый диапазон пространственных частот ∆k. Тогда, по теореме Фурье, два этих интервала должны быть связаны следующим образом:

∆x∆k ≥ 1/2.

Это уравнение не имеет никакого отношения к квантовому поведению; оно получено методами интегрального исчисления. Теорема появилась раньше трудов Гейзенберга; Жан Батист Фурье умер в 1830 году. Это всего лишь математика волн: водяных, звуковых, световых, сейсмических, колебаний натянутой веревки и рояльной струны, волн в плазме и в кристалле. И эта математика верна для любых волн.

В квантовой физике импульс волны равен постоянной Планка h, деленной на длину волны (формула де Бройля). Длина волны равна 2π/k. Это означает, что мы можем записать импульс (традиционно обозначаемый буквой p) как p = (h/2π)k. Взяв разницу между двумя значениями p, получим ∆p = (h/2π)∆k. Если умножить уравнение Фурье-анализа ∆x∆k ≥ 1/2 на h/2π, получим:

(h/2π)∆x∆k ≥ 1/2(h/2π).

Далее подставим ∆p = (h/2π)∆k и получим:

∆x∆p ≥ h/4π.

(Иногда можно увидеть запись ∆x∆p ≥ ħ/2, где ħ = h/2π – приведенная постоянная Планка, порой называемая постоянной Дирака.)

Это знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга. Вот почему я сказал, что если мы примем предположение, что все частицы движутся как волны, то принцип неопределенности станет просто математическим следствием из этого факта.

В математике эта теорема не считается настоящим принципом неопределенности; скорее, она описывает диапазон пространственных частот, необходимых для получения короткого импульса. Но в квантовой физике диапазон частот превращается в неопределенность импульса, а ширина импульса становится неопределенностью положения частицы в пространстве. Все дело в копенгагенской вероятностной интерпретации волновой функции. Если для волновой функции доступны разные значения импульса (скорости) и пространственных координат, то акт измерения (к примеру, наблюдение за тем, как она отклоняется в магнитном поле) означает выбор одного из возможных значений. Как сказала мать Форреста Гампа о жизни: «[Это] как коробка шоколадных конфет. Никогда не знаешь, что у каждой конфеты внутри».

Приложение 6

Физика и бог

Физика не религия. Если бы она была религией, нам гораздо проще было бы добывать на нее деньги.

Леон Ледерман (первооткрыватель мюонного нейтрино)

Физикализм – это отрицание любой реальности, которую невозможно измерить. Многие физики принимают физикализм как основу для своих исследований, но продолжают считать духовный мир важной, если не важнейшей, частью реальности и своей жизни. У некоторых людей сложилось ошибочное представление, что все физики атеисты. Его, в общем-то, стоит развенчать. Ученый имеет полное право выступать против религии, когда та вторгается в науку – будь то утверждение церкви, что Вселенная создана всего лишь 4000 лет назад, или заявление, что эволюции не было. Но точно так же он имеет полное право критиковать атеистов/физикалистов, которые утверждают, будто только логики и разума достаточно, чтобы отрицать духовную реальность.

В продолжение темы приведу образцы высказываний некоторых великих ученых. Значительная часть этого списка составлена с помощью находящегося в свободном доступе электронного сборника «50 нобелевских лауреатов и других великих ученых, которые верят в Бога», составленного Тихомиром Димитровым.

Чарльз Таунс (он просил всех, включая и магистрантов, называть себя «Чарли»), один из изобретателей лазера и мазера[281], профессор в Беркли и мой близкий друг, говорил, что считает атеизм глупым. По его мнению, атеизм отрицает очевидное существование Бога. В книге Шерон Бигли Science Finds God («Наука находит Бога») приводится такая его цитата:

Я глубоко убежден в существовании Бога, основываясь на интуиции, наблюдениях, логике, а также научных знаниях.

Обратите внимание, что Таунс не включил в свой список веру. Если вы что-то видите, то чтобы признать существование этого чего-то, вера не нужна. Он писал:

Как человек религиозный, я глубоко чувствую присутствие и действия Творца, намного превосходящего меня, но притом всегда личного и близкого…

Более того, мне кажется, что Откровение можно рассматривать как внезапное открытие того, что такое человек и каковы его отношения со Вселенной, Богом и другими людьми.

Арно Пензиас, один из первооткрывателей космического микроволнового фонового излучения, подтвердившего теорию Большого взрыва, писал:

Бог проявляет Себя во всем сущем. Вся реальность, в большей или меньшей степени, обнаруживает замысел Бога. Во всех аспектах человеческого опыта присутствует какая-то связь с этим замыслом и мировым порядком.

Исидор Раби[282], первооткрыватель ядерного магнитного резонанса (используемого в МРТ, магнитно-резонансной томографии) и председатель Комиссии по атомной энергии (США), писал в журнале Physics Today:

Физика наполнила меня благоговением, позволила прикоснуться к ощущению настоящих истоков. Физика приблизила меня к Богу. Это ощущение я испытывал все годы своей научной деятельности. Всякий раз, когда кто-то из моих студентов приходил с новым научным проектом, я задавал ему лишь один вопрос: «Это позволит вам приблизиться к Богу?»

Энтони Хьюиш[283], один из первооткрывателей пульсаров, писал в 2002 году:

Я считаю, что и наука, и религия нужны, чтобы понять наше место во Вселенной. Наука открывает нам, как устроен мир (хотя множество вопросов еще остается без ответа, и, думаю, так будет всегда). Но наука поднимает вопросы, на которые сама не в состоянии ответить. Почему Большой взрыв в конечном счете привел к появлению разумных существ, задающих вопросы о смысле жизни и цели существования Вселенной? Чтобы ответить на них, приходится обращаться к религии…

Религия играет чрезвычайно важную роль, подчеркивая, что в жизни есть нечто гораздо большее, чем эгоистичный материализм.

Одних только научных законов недостаточно – должно быть что-то еще. Сколько бы наука ни развивалась, она не ответит на все вопросы, которые мы задаем.

Джозеф Тейлор[284], получивший свою Нобелевскую премию за открытие быстро вращающихся звезд, излучающих, как оказалось, гравитационные волны, писал:

Мы верим, что в каждом человеке есть нечто божественное, поэтому человеческая жизнь священна. В людях нужно искать глубину духовного присутствия, даже в тех, с кем вы расходитесь во взглядах.

Физикализм может быть религией, но может и просто определять рабочие параметры физических исследований и не восприниматься как нечто, охватывающее всю реальность целиком.

Я

Другие ученые при создании книг, похожих на эту, считают уместным описывать собственные духовные верования. Так что и мне, возможно, позволительно сделать несколько кратких пояснений на эту тему. Не стал бы называть свои представления верованиями. Верить можно в зубную фею, Санта-Клауса или физикализм. Я рассматриваю то, что собираюсь сказать, как знание, основанное на наблюдениях – нефизических и духовных, но тем не менее наблюдениях.

Вероятно, меня можно назвать афизикалистом. Нелогично отрицать наблюдения только потому, что их невозможно измерить. Думаю, что обладаю свободой воли, но при этом признаю, что значительная часть моей свободы может оказаться иллюзией. Если я проголодался, инстинкты заставляют меня искать пищу – и это не есть часть свободы воли. Но я знаю, что у меня есть душа – нечто, что лежит по ту сторону сознания и заставляет меня колебаться: стоит ли позволять Скотти передавать меня по лучу. Я молюсь каждый день, хотя и не знаю точно кому. Один мудрый друг, Алан Джоунз, как-то сказал мне, что существует всего три допустимых молитвы: «Вот это да!», «Спасибо!» и «Помоги!» Я не уверен, что понимаю разницу между «Вот это да!» и «Спасибо!», а молитва «Помоги!» – это просьба о духовной, а не материальной, поддержке. До сих пор в моих ежедневных молитвах доминирует «Спасибо!».

Почему же все-таки произошел Большой взрыв? Некоторые задействуют для объяснения антропный (человеческий) принцип; другие привлекают Бога. Я не вижу хорошего ответа на этот вопрос. Если это был Бог, то это не отвечает на вопрос о том, достоин ли Бог-творец поклонения. Неужели мы чтим Всевышнего только за то, что он установил кое-какие физические уравнения и поджег запал? Я – нет. Если уж я почитаю, то Бога, которому я небезразличен и который дает мне духовные силы.

Древние гностики ощущали мир примерно так же. Они верили в двух богов: Яхве-творца и Бога познания добра и зла. Поклонялись они только второму и верили, что Адам и Ева делали так же. Вкушение яблока, в интерпретации гностиков, было героическим деянием. Адам и Ева заплатили за этот «грех» изгнанием из Эдема, но ушли оттуда не оглядываясь. Для Адама и Евы нефизическое знание было намного важнее, чем дармовые фрукты.

Благодарности

Я благодарен многим людям, которые читали рукопись и вносили поправки и новые идеи. Среди них Джонатан Кац, Маркос Андервуд, Боб Рейдер, Дэн Форд, Даррелл Лонг, Джонатан Левин, Эндрю Собель и члены моей семьи: Розмари, Элизабет, Мелинда и Вирджиния.

Редактор Джек Репчек вновь предложил чудесные наставления и значительную помощь в превращении этой книги в единое осмысленное целое. Он трагически умер, когда работа приближалась к завершению. Я благодарен Джону Брокману за важные замечания относительно тона и стиля и за помощь в преобразовании идеи в пригодную к изданию книгу. Стефани Хайберт совершила чудо в плане литературного редактирования.

Очень полезными для меня были и недавние дискуссии по физике времени и энтропии с коллегами и друзьями, в числе которых Шон Магуайр, Роберт Роде, Холгер Мюллер, Марв Коэн, Дима Будкер, Джонатан Кац, Джим Пиблз, Фрэнк Вильчек, Стив Вайнберг, Пол Стейнхарт и многие другие.

Эту книгу хорошо дополняют:

Глазами физика

Уолтер Левин и Уоррен Гольдштейн

Квантовая вселенная

Брайан Кокс и Джефф Форшоу

13.8

Джон Гриббин

Почему E = mc²?

Брайан Кокс и Джефф Форшоу

Сноски

1

Артур Эддингтон (1882−1944) – английский астрофизик. В разные годы – директор астрономической обсерватории в Кембридже, президент Королевского астрономического общества, президент Лондонского общества физиков. С 1920-х гг. сосредоточился на «фундаментальной теории», предполагающей объединение квантовой теории, теории относительности, космологии и гравитации. Прим. ред.

2

Энтропия – мера неупорядоченности системы. Прим. науч. ред.

3

Квантовая запутанность – ситуация, при которой квантовые характеристики двух или более частиц оказываются связаны. Прим. ред.

4

Физикализм – концепция логического позитивизма, разрабатываемая Карнапом, Нейратом и др. Сторонники физикализма считают критерием научности какого-либо положения из любой дисциплины возможность перевести его на язык физики. Положения, не поддающиеся такой операции, рассматриваются как лишенные научного смысла. Прим. перев.

5

Темная энергия в космологии – вид энергии, введенный в математическую модель Вселенной ради объяснения ее наблюдаемого расширения с ускорением. Прим. ред.

6

Инфляционная модель Вселенной – гипотеза о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва (при температуре выше 1028 K), предполагающая период ускоренного расширения по сравнению со стандартной моделью горячей Вселенной. Прим. ред.

7

Вращение плоскости поляризации света наблюдается при распространении линейно поляризованного света через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле (продольный магнитооптический эффект Фарадея). Прим. ред.

8

«Темный город» – драма, США, 1998 г. Убийцу, не помнящего имени и прошлого, преследует полицейский Фрэнк Бастед. Его ищут жена, чужаки, а он пытается разобраться в происходящем. Прим. ред.

9

«Клик: с пультом по жизни» – комедийная драма, США, 2006 г. Архитектору попадает в руки пульт ДУ, с помощью которого можно прокручивать жизнь вперед или назад. Но однажды пульт начинает управлять скоростью и выбором момента жизни. Герой понимает, как неверно использовал время. Прим. ред.

10

«Интерстеллар» – научно-фантастический фильм, США, 2014 г. Засуха приводит к продовольственному кризису; группа исследователей отправляется сквозь червоточину пространства-времени, чтобы узнать, как переселить человечество на другую планету. Прим. ред.

11

«Лара Крофт: расхитительница гробниц» – фильм, США, 2001 г. Экранизация серии компьютерных игр Tomb Raider, посвященных археологу и искательнице приключений Ларе Крофт. Прим. ред.

12

«Останавливающие время» – фантастический фильм, США, 2002 г. Молодой человек находит часы, которые дают возможность повысить скорость восприятия мира в 25 раз. С этим и связаны приключения. Прим. ред.

13

Парадокс близнецов (парадокс Ланжевена, парадокс часов) – первый и наиболее известный парадокс специальной теории относительности, основанный на тезисе, сформулированном Эйнштейном в работе «К электродинамике движущихся тел». Статус «парадокс» появился позднее. Прим. ред.

14

Аристотель. Физика. М.: КомКнига, 2016. Прим. ред.

15

Aristotle, Physics, trans. R. P. Hardie and R. K. Gaye, Internet Classics Archive.

16

Аврелий Августин (354−430) – христианский богослов и философ, влиятельнейший проповедник, епископ Гиппонский, один из отцов христианской церкви. Прим. перев.

17

Блаженный Августин. Исповедь. СПб.: Благовест, 2014. Прим. ред.

18

Диккенс, Ч. Рождественская песнь в прозе. М.: Клевер-Медиа-Групп, 2016. Прим. ред.

19

Рудольф Карнап (1891−1970) – немецко-американский философ и логик, ведущий представитель логического позитивизма и философии науки. Прим. перев.

20

Хроногеометрия – коротко говоря, теория пространства и времени. Прим. ред.

21

Издана на русском языке: Грин Б. Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности. М.: Либроком, 2009. Прим. перев.

22

Эддингтон считал, что постепенное рассеивание энергии доказывает необратимость стрелы времени, летящей в одном направлении. Но это понятие не соответствует основным законам физики, которые во времени действуют как в прямом направлении, так и в противоположном. Согласно им, если обратить пути всех частиц во Вселенной вспять, энергия стала бы накапливаться, а не рассеиваться: холодный кофе начал бы нагреваться, здания поднялись бы из руин, а солнечный свет вернулся к Солнцу. Прим. ред.

23

Издана на русском языке: Хокинг С. Краткая история времени. СПб.: Амфора, 2015. Прим. ред.

24

Стивен Хокинг – английский физик-теоретик и популяризатор науки, профессор математики. Изучал теорию возникновения мира в результате Большого взрыва, а также теорию черных дыр. Прим. перев.

25

GPS (Global Positioning System – система глобального позиционирования) – спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84. Прим. ред.

26

Горизонт событий – воображаемая граница в пространстве-времени, разделяющая те события (точки пространства-времени), которые можно соединить с событиями на светоподобной бесконечности светоподобными траекториями световых лучей, и те события, которые так соединить нельзя. Так как светоподобных бесконечностей у пространства-времени две: относящаяся к прошлому и будущему, – то и горизонтов событий может быть два: прошлого и будущего. Горизонт событий прошлого разделяет события на изменяемые с бесконечности и на неизменяемые; а горизонт событий будущего отделяет события, о которых можно что-либо узнать, хотя бы в бесконечно отдаленной перспективе, от событий, о которых узнать ничего нельзя. Прим. перев.

27

Теория измерений предполагается как теория о классификации переменных величин по природе информации, которая содержится в числах – значениях этих переменных величин. Прим. ред.

28

Иррациональность числа подразумевает, что его нельзя представить в виде дроби, числитель и знаменатель которой – целые числа. Прим. науч. ред.

29

Ричард Фейнман (1918−1988) – американский физик-теоретик. Один из создателей квантовой электродинамики. Входил в число создателей атомной бомбы. Разработал метод интегрирования по траекториям в квантовой механике (1948), а также так называемый метод диаграмм Фейнмана (1949) в квантовой теории поля, с помощью которого можно объяснять превращения элементарных частиц. Лауреат Нобелевской премии по физике (1965). Прим. ред.

30

Позитрон – античастица электрона, имеющая такую же массу, как и электрон, но положительный заряд. Прим. науч. ред.

31

Annalen der Physik («Анналы физики») – немецкий научный журнал, посвященный проблемам физики. Один из старейших, издается с 1799 года. Публикует оригинальные статьи в области экспериментальной, теоретической, прикладной и математической физики, а также смежных областей. Прим. ред.

32

Ньютон И. Математические начала натуральной философии. М.: ЛКИ, 2014. Прим. ред.

33

Ее еще называют частной теорией относительности. Прим. науч. ред.

34

Тритий – изотоп атома водорода с двумя нейтронами и одним протоном в составе ядра. Прим. науч. ред.

35

Известному также как Лоренц-фактор. Прим. науч. ред.

36

В 1971 г. Дж. Хафеле и Р. Китинг дважды облетели вокруг света, сначала на восток, затем на запад, с 4 комплектами цезиевых атомных часов, после чего сравнили «путешествовавшие» часы с часами, остававшимися в Военно-морской обсерватории США. Эксперимент стал одним из тестов ТО, показавшим реальность замедления времени для движущихся объектов, предсказываемого ТО, и соответственно, экспериментально продемонстрировавшим парадокс близнецов и гравитационное замедление времени. Прим. ред.

37

Эйнштейн взял за основу хорошо известные преобразования Лоренца. Прим. науч. ред.

38

Хендрик Лоренц (1853−1928) – нидерландский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (1902, совместно с П. Зееманом) и других наград, член Нидерландской королевской академии наук, ряда иностранных академий наук и научных обществ. Прим. ред.

39

Вольный перевод. «Касабланка» – голливудская романтическая кинодрама 1942 г., получила три «Оскара». Сюжет сосредоточен на внутреннем конфликте человека, которому приходится выбирать между долгом и чувством. Его часто называют в числе лучших фильмов Голливуда. Прим. перев.

40

Светосекунда (по аналогии со световым годом) – расстояние, которое свет преодолевает за 1 секунду. Прим. науч. ред.

41

Можно встретить также термины Лоренцово сокращение или Фицджеральдово сокращение. Прим. науч. ред.

42

Альберт Майкельсон (1852−1931) – американский физик, известен изобретением названного его именем интерферометра Майкельсона и прецизионными измерениями скорости света. Лауреат Нобелевской премии по физике «за создание точных оптических инструментов и спектроскопических и метрологических исследований, выполненных с их помощью» (1907). Прим. ред.

43

Эдвард Морли (1838−1923) – американский физик и химик. Наибольшую известность получили работы в области интерферометрии, выполненные совместно с А. Майкельсоном. В химии высшим достижением Морли было точное сравнение атомных масс элементов с массой атома водорода, за которое ученый был удостоен наград нескольких научных обществ. Прим. ред.

44

Силы, которые определяют структуру материи, для частиц и античастиц одинаковы. Частицы различаются только знаком заряда. Атомы обычного вещества состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся электроны. А отрицательно заряженные ядра атомов антивещества, в свою очередь, окружены позитронами. В природе у каждой элементарной частицы есть античастица. Для электрона это позитрон, а для положительно заряженного протона – антипротон. То есть антивещество – это материя, состоящая из античастиц. «Антивещество» – не совсем верное название, это лишь разновидность вещества, обладающая теми же свойствами и способная создавать гравитационное притяжение. Прим. перев.

45

«Звездный путь» – научно-фантастическая медиафраншиза, включающая шесть телесериалов, 13 полнометражных фильмов, сотни книг, рассказов и компьютерных игр. Прим. перев.

46

Изотоп – разновидность химического элемента, обладающая тем же количеством протонов, что и исходный элемент, но имеющая другую массу (ввиду другого количества нейтронов в ядре). Прим. науч. ред.

47

Лео Сцилард (Силард) (1898−1964) – американский физик венгерско-еврейского происхождения. Вместе с Э. Ферми определил критическую массу урана-235 и участвовал в создании первого ядерного реактора. Прим. ред.

48

В письме Сцилард указывал на огромную опасность фашизма для мировой цивилизации. Прим. перев.

49

Часть этой главы взята из моей книги Energy for Future Presidents: The Science Behind the Headlines («Энергия для будущих президентов: Наука за заголовками статей»).

50

Эмми Нётер (1882−1935) – немецкая ученая-математик, наиболее известна вкладом в абстрактную алгебру и теоретическую физику. Коренным образом изменила теорию колец, полей и алгебр. Прим. ред.

51

Ее можно сформулировать так: если в некоторой физической системе законы, описывающие динамику энергии, не меняются со временем, то в такой системе наблюдаются законы сохранения чего-либо (энергии, заряда, импульса и т. д.). Другими словами, теорема Нётер объясняет связь между симметрией и законами сохранения. Прим. науч. ред.

52

Георгий Гамов (Джордж Гамов) – советский и американский физик-теоретик, астрофизик и популяризатор науки. Автор первой количественной теории альфа-распада, один из основоположников теории «горячей Вселенной» и один из пионеров применения ядерной физики к эволюции звезд. Он впервые четко сформулировал проблему генетического кода. Широкую известность Гамову принесли его научно-популярные произведения, в которых он живым и доступным языком рассказывает о современных научных представлениях. Прим. ред.

53

От лат. celeritas – стремительность. Прим. науч. ред.

54

Джон Мичелл (1724−1793) – священник из графства Йоркшир, видный английский естествоиспытатель и геолог. Занимался астрономией, оптикой и гравитацией как теоретик и экспериментатор. Открыл, в частности, волноподобную природу землетрясений, провел целый ряд оригинальных исследований в области магнетизма и гравитации, предвидел возможность черных дыр. Прим. ред.

55

Вторая космическая скорость – скорость, необходимая для того, чтобы вырваться из гравитационного поля планеты и покинуть ее. Прим. науч. ред.

56

Вторая космическая скорость рассчитывается по формуле GMm/r = ½mv², где G – гравитационная постоянная, M – масса, а r – радиус. Таким образом,

57

Выражение 10−27 = 0,0000000000000000000000000001. 1 появляется здесь после 27 нулей. Обратное выражение – это 10, помноженное на себя 27 раз. В таблицах это выражение записывается как 1Е − 27. В формуле массы Земли (10^24) 10 умножается на себя 24 раза: за 1 следуют 24 ноля. В таблице это 1Е + 24.

58

«Пираты Пензанса, или Раб долга» – комическая опера композитора А. Салливана, 1879 г. Прим. перев.

59

Тахион – гипотетическая частица, движущаяся со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Прим. перев.

60

Вот доказательство того, что все числа равны. Пусть А = 13 и В = 13; D и С могут быть любыми двумя числами. Тогда А = В. Умножьте обе стороны этого равенства на (С − D), чтобы получить А(С − D) = В(С − D). Раскройте АС − AD = BC − BD. Преобразуйте: АC − BC = AD − BD. Разложите на множители: C(A − B) = D(A − B). Сократите (А − В), чтобы получить C = D. Поскольку C и D были произвольными, то я доказал, что все числа являются равными. Ошибка состоит в делении на (А − В). Это невозможно, поскольку А − В = 0. Более простой (но более очевидно ошибочный) вариант доказательства такой: C × 0 = D × 0. Сократите нули.

61

Имеется в виду критерий фальсифицируемости философа Карла Поппера: теория считается научной, если есть возможность ее опровергнуть. В частности, теория о существовании дополнительных измерений в строгом смысле не научна, поскольку нет эксперимента, позволяющего ее опровергнуть. Прим. науч. ред.

62

ЦЕРН – CERN, от франц. Conseil Europеen pour la Recherche Nuclеaire (Европейский совет по ядерным исследованиям). Прим. ред.

63

Существуют так называемые комплексные числа типа z = a + ib, где а – вещественная (действительная) часть, b – мнимая часть, а i = √−1. Прим. науч. ред.

64

Таким образом Хан Соло расхваливает свой космический корабль. Правда, вместо единицы времени он называет парсек, то есть единицу расстояния. По авторскому замыслу, Соло просто-напросто врал. Но в фильме неправильная единица выглядит не хвастовством, а безграмотностью пилота. Дуга Кесселя (Kessel run) – популярный маршрут контрабандистов. Дуга огибает кластер черных дыр (так называемую Утробу, the Maw). Стандартная длина ее, при которой полет относительно безопасен, составляет 18 парсек. Пилоты облетают Утробу по более пологой дуге: так опаснее, но быстрее. Соло же, если ему верить, подошел к Утробе рекордно близко, сократив путь до 12 парсек. Это объяснение оказалось так популярно, что стало каноническим. Прим. ред.

65

Хан Соло – один из главных героев киносаги «Звездные войны». Сначала он контрабандист, затем – героический персонаж. Прим. перев.

66

Паунд Роберт (1919−2010) – американский физик-экспериментатор, член Национальной АН. Работал в области ядерного магнетизма, микроволновой техники, радиоспектроскопии, ядерной физики. Прим. ред.

67

Эффект Мёссбауэра, или ядерный гамма-резонанс, открыт в 1957 (1958) г. Р. Мёссбауэром в Институте им. М. Планка в Гейдельберге. Состоит в резонансном испускании или поглощении гамма-фотонов без изменения фотонного спектра излучателя или поглотителя излучения соответственно. Иными словами, эффект Мёссбауэра – это резонансное испускание и поглощение гамма-лучей без отдачи. Прим. ред.

68

Если принять во внимание, что спутники не находятся в бесконечности, за день получится немного меньшая ошибка – около 13,76 км.

69

«Сумеречная зона» (The Twilight Zone) – американский телесериал, созданный Р. Серлингом. Каждый эпизод сочетает фэнтези, научную фантастику, драму или ужас, часто заканчивающийся жуткой или неожиданной развязкой. Популярный как у зрителей, так и среди критиков, сериал многим открыл серьезную научную фантастику и абстрактные идеи. В России стал известен после показа в 1985−1989 гг. телевизионной версии. Прим. перев.

70

Герман Минковский (1864−1909) – немецкий математик российского происхождения, разработавший геометрическую теорию чисел и геометрическую четырехмерную модель теории относительности. Его первые результаты касались теории квадратичных форм. В 1896 г. опубликовал результат, ныне известный как теорема Минковского о выпуклом теле. В 1907 г. предложил геометрическое представление кинематики теории относительности, введя четырехмерное псевдоевклидово пространство (пространство Минковского). Серьезный вклад внес также в гидродинамику и теорию капиллярности. Прим. ред.

71

Слово buffalo, в переводе означающее «буйвол», в США имеет несколько значений. Помимо города Buffalo в штате Нью-Йорк и реки Buffalo National River, это также род рыб семейства чукучановых (лат. Ictiobus); золотая монета высшей пробы (99,99 %), выпускаемая в США как для инвестиций в золото, так и для коллекционеров (American Buffalo); хоккейный клуб Buffalo Sabres (НХЛ) и танк-амфибия. К тому же это слово в качестве глагола означает «озадачивать», «мистифицировать». Прим. ред.

72

Международный астрономический союз (МАС; International Astronomical Union, IAU) – организация, объединяющая астрономические сообщества всего мира. Основан в 1919 г. в Брюсселе (Бельгия). Прим. ред.

73

Решением 26-й Ассамблеи МАС (2006) Плутон был исключен из разряда планет. Планетой было решено считать тело, которое, наряду с прочими критериями, «вычищает» пространство на своей орбите. То есть кроме самой планеты и ее спутников, на гелиоцентрической орбите других тел находиться не может. Для Плутона это условие не выполняется, поэтому он был официально исключен из числа «настоящих» планет и отнесен к карликовым планетам. Прим. ред.

74

Издана на русском языке: Каплан Э. Санта действительно существует? Философское расследование. М.: Манн, Иванов и Фербер, 2015. Прим. ред.

75

Октава – лат. octava от octo – восемь. Прим. ред.

76

Квинта – лат. quinta – пять. Прим. ред.

77

Кварта – лат. quarta – четверть. Прим. ред.

78

Трансцендентальная медитация (от лат. transcendens – «перешагивающий», «выходящий за границы возможного», и лат. meditatio – «размышление», «обдумывание») – техника медитации c использованием мантр, основанная Махариши Махеш Йоги. Это динамичный процесс, в результате которого достигается состояние «спокойной осознанности». Прим. ред.

79

Леонард Эйлер (Leonhard Euler, 1707−1783) – швейцарский, немецкий и российский математик и механик, внесший фундаментальный вклад в развитие математики, механики, физики, астрономии и ряда прикладных наук. Прим. ред.

80

В этой формулировке уравнения не только пространство, но и энергия состоит из четырех компонентов. Энергия включает в себя собственно энергию и три компоненты импульса. Т называют «тензором энергии-импульса», однако для простых слабых полей это всего лишь соотношение энергия / плотность массы.

81

Геометрия Римана – одна из неевклидовых геометрий, основанная на аксиомах, отличающихся от аксиом евклидовой геометрии. У Римана прямая, например, считается замкнутой линией, поэтому вопросы расположения точек на прямой нельзя рассматривать с помощью понятия «лежать между». Прим. ред.

82

Нильс Бор (1885−1962) – датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922). Автор первой квантовой теории атома, активный участник разработки основ квантовой механики. Внес значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, взаимодействия элементарных частиц со средой. Прим. ред.

83

Принцип соответствия в методологии науки сформулировал Н. Бор в 1923 г. Это утверждение, что любая новая научная теория при наличии старой, хорошо проверенной теории находится с ней не в полном противоречии, а дает те же следствия в некотором предельном приближении (частном случае). Прим. перев.

84

Угловая секунда используется в астрономии при измерении плоских углов в градусных мерах (в 1 градусе 60 минут, в 1 минуте 60 секунд). Одна угловая секунда примерно соответствует углу, под которым виден футбольный мяч с расстояния около 45 км. Прим. ред.

85

Ковариантность (от лат. со – совместно и varians – изменяющийся) – форма записи физических величин и уравнений, непосредственно отражающая характер их изменения (векторный, спинорный, тензорный и т. д.) при преобразованиях системы пространственно-временных координат. Прим. ред.

86

Чарльз Таунс (1915−2015) – американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1964). Член Национальной академии наук США (1956), иностранный член Российской академии наук. Основные труды Таунса посвящены радиоспектроскопии, квантовой электронике и ее приложениям, нелинейной оптике, радиоастрономии. Прим. ред.

87

Николай Басов (1922−2001) – советский физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1964). Дважды Герой Социалистического Труда. Работы Басова посвящены квантовой электронике и ее применениям. Прим. ред.

88

Александр Прохоров (1916−2002) – советский физик, один из основоположников квантовой электроники, лауреат Нобелевской премии по физике (1964). Работы Прохорова посвящены радиофизике, физике ускорителей, радиоспектроскопии, квантовой электронике и ее приложениям, нелинейной оптике. Прим. ред.

89

Роберт Оппенгеймер (1904−1967) – американский физик-теоретик, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли, член Национальной академии наук США. Научный руководитель Манхэттенского проекта. Внес важный вклад в современную теорию нейтронных звезд и черных дыр, а также в решение отдельных проблем квантовой механики, квантовой теории поля и физики космических лучей. Пропагандист науки, отец-основатель американской школы теоретической физики, получившей мировую известность в 30-е гг. XX в. Прим. ред.

90

«История игрушек» – американский мультфильм (1995), созданный студией Pixar совместно с компанией Walt Disney. Это первый полнометражный фильм, смоделированный на компьютере полностью трехмерным, и первый мультфильм, номинировавшийся на «Оскар» за лучший оригинальный сценарий. Базз Лайтер – вымышленный персонаж, один из главных героев фильма. Прим. перев.

91

Л. Саскинд и Дж. Линдсей рассуждают об этом бесконечном времени спуска к черной дыре в книге An Introduction to Black Holes, Information, and the String Theory Revolution («Знакомство с черными дырами, информация и революция теории струн») (2005, стр. 22). Они располагают вдоль линии падения объекта наблюдателей, которые сообщают о результатах внешнему контролеру. «Согласно такому подходу частица никогда не пересекает горизонт и будет приближаться к нему асимптотически, то есть бесконечно». Возможно, квантовая теория может изменить это заключение.

92

Чтобы компенсировать гравитационное притяжение планеты, необходимо испытывать центробежную силу, рассчитываемую как mV²/R, где V – линейная скорость. Соответственно, растущую силу притяжения надо компенсировать увеличением скорости. Прим. науч. ред.

93

«Контакт» – научно-фантастический фильм 1997 г. режиссера Р. Земекиса по одноименному роману К. Сагана. Прим. перев.

94

Варп-двигатель – гипотетическая научно-фантастическая технология, которая позволит кораблю, оснащенному таким двигателем, преодолевать межзвездные расстояния со сверхсветовой скоростью. Прим. перев.

95

«Доктор Кто» – культовый британский научно-фантастический телесериал компании ВВС об инопланетянине, известном как Доктор. Вместе со спутниками он путешествует во времени и пространстве как для спасения цивилизаций или отдельных людей, так и ради удовольствия. Прим. ред.

96

«Дюна» – фантастический фильм Д. Линча по мотивам одноименного романа Фрэнка Герберта, вышедший в 1984 г. Прим. ред.

97

Некоторые утверждают, что измерения Эддингтона «уж слишком точно соответствовали расчетам Эйнштейна», что имевшимися инструментами ученый был не в состоянии произвести такие точные замеры и что полученные Эддингтоном результаты не были полностью объективными. Однако самые последние достижения науки подтверждают полную правоту Эддингтона.

98

Предел Эддингтона – величина мощности электромагнитного излучения, исходящего из недр звезды, при которой его давления достаточно для компенсации веса оболочек звезды, окружающих зону термоядерных реакций, то есть звезда находится в состоянии равновесия: не сжимается и не расширяется. Прим. перев.

99

Чарльз Сноу (1905−1980) – английский писатель-реалист, физик, химик и государственный деятель. Рыцарь-бакалавр, командор ордена Британской империи. В своей главной работе «Две культуры и научная революция» высказал сожаление о разрыве между учеными и интеллектуалами-литераторами, технической и гуманитарной интеллигенцией. Прим. перев.

100

Сноу Ч. Две культуры и научная революция // Портреты и размышления. М.: Прогресс, 1985. Прим. ред.

101

Эти гигантские сооружения называются градирнями (первоначально они служили для добычи соли выпариванием) – устройства для охлаждения большого количества воды направленным потоком атмосферного воздуха. Иногда их называют также охладительными башнями. В наши дни градирни в основном применяются в системах оборотного водоснабжения для охлаждения теплообменных аппаратов (на ТЭЦ, АЭС). Прим. ред.

102

Потеря энтропии в чашке горячего кофе составляет «−теплота/Тчашки». Увеличение энтропии комнаты составит «+теплота/Ткомнаты». Значения теплоты одинаковы (за исключением знака), но поскольку Ткомнаты меньше, чем Тчашки, потеря энтропии в чашке меньше увеличения энтропии в комнате.

103

Акр-фут – это неметрическая единица измерения объема; примерно равна 1233 м³. Прим. ред.

104

Теплород (калька с греч. фλογιστός – пламя) – по распространенным в XVIII−XIX вв. воззрениям, невесомый флюид, присутствующий в каждом теле и становящийся причиной тепловых явлений. Введен в 1783 г. Лавуазье. Эта гипотеза была отвергнута в результате испытаний, что послужило основой для принятия молекулярно-кинетической теории в середине XIX в. Прим. перев.

105

Жан Перрен (1870−1942) – французский физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1926). Первым сумел взвесить молекулы и атомы. Прим. ред.

106

Людвиг Больцман (1844−1906) – австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории. Член Австрийской академии наук, член-корреспондент Петербургской академии наук и др. Напряженная полемика вокруг молекулярно-кинетической теории сказалась на состоянии его нервной системы: статистическую модель Больцмана физическое сообщество отвергало, что и вызвало у него сильную депрессию. Прим. науч. ред.

107

Запись lg W означает «логарифм W по основанию 10», то есть десятичный логарифм. Прим. науч. ред.

108

В качестве физической единицы при использовании натурального логарифма k равно 1,38 × 10−23 джоуля на один градус по шкале Кельвина. В единицах, используемых здесь, и при основании логарифма 10 k равно 7,9 × 10−24 калории на один градус по Кельвину.

109

Логарифм числа с основанием 10 составляет примерно количество символов в этом числе. Например, логарифм числа 1 000 000 составляет 6.

110

Эргодическая гипотеза в статистической физике – предположение о том, что средние по времени значения физических величин, характеризующих систему, равны их средним статистическим значениям; гипотеза служит для обоснования статистической физики. Прим. перев.

111

Именно поэтому одна из формулировок второго закона термодинамики гласит, что самопроизвольно идут процессы с увеличением энтропии (беспорядка). Прим. науч. ред.

112

Существовала модель локальных осцилляторов, в которой молекулы, будто на пружине, скреплялись друг с другом и вибрировали. Прим. науч. ред.

113

Ультрафиолетовая катастрофа – физический термин, описывающий парадокс классической физики, состоящий в том, что полная мощность теплового излучения любого нагретого тела должна быть бесконечной. Название парадокс получил из-за того, что спектральная плотность энергии излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны. Прим. перев.

114

Эта частота принята в России. Прим. науч. ред.

115

Пит Хейн-младший – датский ученый, писатель, изобретатель, художник и инженер. Прямой потомок Пита Хейна-старшего, голландского моряка и народного героя XVII в. Прим. перев.

116

Тот самый автор «бритвы Оккама»: постулата, что из всех возможных доказательств гипотезы наиболее вероятным будет самое простое. «Бритва (лезвие) Оккама» – методологический принцип, получивший название по имени английского монаха-францисканца, философа-номиналиста Уильяма Оккама (1285−1349). В кратком виде он также гласит: «Не следует множить сущее без необходимости». Прим. науч. ред.

117

Второе начало (закон) термодинамики – физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Прим. ред.

118

Телеология (греч. telos – завершение, цель; teleos – достигший цели и logos – учение) – учение о целесообразности как характеристике отдельных объектов или процессов и бытия в целом. Ставит перед собой задачу ответить на вопрос «Зачем, с какой целью?». Прим. перев.

119

Деизм – религиозно-философское учение XVII−XVIII вв., допускавшее существование Бога как первопричины мира и отвергавшее его дальнейшее влияние на развитие природы. Прим. перев.

120

Эдвин Хаббл (1889−1953) – выдающийся американский ученый, один из наиболее влиятельных астрономов и космологов XX в.; внес решающий вклад в понимание структуры космоса. Основные труды Хаббла посвящены изучению галактик. Прим. перев.

121

Фред Хойл (1915−2001) – известный британский астроном и космолог, автор нескольких научно-фантастических романов. Именно Хойл впервые употребил термин «Большой взрыв», обозначив им модель, альтернативную его собственной. Был убежденным сторонником теории панспермии. Прим. ред.

122

Речь идет об участке неба, видимом с американского континента. Прим. ред.

123

Космический телескоп «Хаббл» (КТХ) – автоматическая обсерватория на орбите вокруг Земли, названная в честь Эдвина Хаббла. Телескоп «Хаббл» – совместный проект НАСА и Европейского космического агентства; он входит в число Больших обсерваторий НАСА. Прим. перев.

124

Жорж Леметр (1894−1966) – бельгийский астрофизик и математик; первый сформулировал теорию Большого взрыва о происхождении Вселенной. Рассматривал Вселенную как естественный аналог радиоактивного атома, в котором вся энергия и вещество сконцентрированы в ядре, которое он называл первозданным атомом. Леметр утверждал, что расширяющаяся Вселенная должна была появиться в результате взрыва этого первозданного ядра. Прим. ред.

125

Есть и другая формулировка космологического принципа: каждый наблюдатель в один и тот же момент времени, независимо от места и направления наблюдения, обнаруживает во Вселенной одну и ту же картину. Прим. перев.

126

Умирая после операции, Гертруда Стайн спросила: «Каков же ответ?» И, не получив ответа, прошептала: «В таком случае, каков вопрос?» Прим. ред.

127

Дэвид Лейзер – известный американский астрофизик, автор книги «Создавая картину Вселенной» (М.: ЁЁ Медиа, 2012). Прим. ред.

128

WMAP – космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва. С 2001 по 2009 г. передавал на Землю результаты сканирования небесной сферы; на основе данных была составлена радиокарта неба на нескольких длинах волн: от 1,4 см до 3 мм. Изначально назывался MAP (англ. «карта»). После кончины одного из научных руководителей проекта, Д. Уилкинсона (Wilkinson) в 2002 г. был переименован в его честь. Прим. перев.

129

Роберт Дикке (1916−1997) – американский физик, член Национальной академии наук США, известный работами в области астрофизики, атомной физики, космологии и гравитации. Один из первых разработчиков теории электрических цепей с распределенными параметрами. Прим. ред.

130

Джим Пиблс (1935) – канадский и американский физик, работающий в области теоретической космологии. Почетный научный профессор им. А. Эйнштейна Принстонского университета. Прим. ред.

131

Ральф Алфер (1921−2007) – американский космолог, автор новаторской теории нуклеосинтеза Большого взрыва, предсказал фоновое реликтовое излучение космоса в микроволновом диапазоне. Прим. ред.

132

Новая физика и астрономия // Техника – молодежи [журнал]. 1964. № 9. С. 34. Прим. ред.

133

Эффект Допплера заключается в изменении частоты сигнала (звукового или светового) при относительном движении источника сигнала и приемника. Это проявляется, например, когда вы стоите на остановке, а мимо вас проносится машина: высота звука ее двигателя сначала будет расти, а затем падать. Прим. науч. ред.

134

Арно Пензиас (1933) – американский астрофизик, профессор, лауреат Нобелевской премии по физике (1978) за открытие космического микроволнового фонового излучения. Прим. ред.

135

Роберт Уилсон (1936) – американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1978) за открытие микроволнового реликтового излучения. Прим. ред.

136

Издана на русском языке: Пиблс Дж. Физическая космология. М.: Мир, 1975. Прим. ред.

137

Если вас интересуют другие проблемы, с которыми нам пришлось столкнуться в ходе того эксперимента, см. мою статью в майском выпуске журнала Scientific American за 1978 г.: The Cosmic Background Radiation and the New Aether Drift («Реликтовое космическое излучение и теория дрейфа по новому эфиру»).

138

Джордж Смут третий (1945) – американский астрофизик и космолог, лауреат Нобелевской премии по физике (2006) (с Дж. Мазером) «за открытие анизотропии и чернотельной структуры энергетического спектра космического фонового излучения». Профессор физики в Калифорнийском университете, Беркли. Его работы по реликтовому излучению подтвердили теорию Большого взрыва. Прим. ред.

139

Пекулярные движения звезд (от лат. peculiaris – собственный) – перемещения звезд на небесной сфере, обусловленные их действительными движениями в пространстве. Это часть собственных движений звезд, не зависящих от движения Солнечной системы. Прим. ред.

140

Уильям Тёрстон (1946−2012) – американский математик. Пионер в области маломерной топологии. В 1982 г. получил премию Филдса за глубокий и оригинальный вклад в математику. Профессор математики и информатики в Корнелльском университете. В 2002 г. Григорию Перельману удалось доказать гипотезу Тёрстона, проведя тем самым полную классификацию компактных трехмерных многообразий, и, в частности, доказать гипотезу Пуанкаре. Прим. ред.

141

Сол Перлмуттер (1959) – американский астрофизик, лауреат Нобелевской премии по физике (2011) (совместно с Б. Шмидтом и А. Риссом) «за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых». Прим. ред.

142

Существует два типа cверхновых звезд: тип I и тип II. Считается, что тип II – конечный этап эволюции одиночной звезды с массой, составляющей 8−11 масс Солнца). Есть еще один способ классификации типа звезды: по наличию в спектре вспышки линий водорода. Если он есть, значит сверхновая II типа, если нет – то I типа. Прим. ред.

143

Премия Алана Уотермана – награда, которой Национальный научный фонд США отмечает молодых ученых (не старше 35 лет или не позже, чем через 7 лет после получения степени доктора философии) за выдающиеся достижения. Названа в честь американского физика Алана Уотермана, учреждена в 1975 г., вручается с 1976 г. Состоит из медали и гранта (сейчас размер гранта – $1 млн на 5 лет исследований; в 2000-е гг. это было $500 000). Прим. ред.

144

Фрактал (от лат. fractus – дробленый, сломанный, разбитый) – математическое множество, обладающее свойством самоподобия (объект, в точности или приближенно совпадающий с частью себя самого, то есть «целое имеет ту же форму, что и одна или более частей»). В физике фракталы естественным образом возникают при моделировании нелинейных процессов, таких как турбулентное течение жидкости, сложные процессы диффузии-адсорбции, пламя, облака и т. п. Прим. ред.

145

Поле Хиггса, или хиггсовское поле, – поле, обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума. Названо по имени разработчика его теории, британского физика Питера Хиггса. Квант этого поля – хиггсовская частица (бозон Хиггса). Прим. ред.

146

Теория инфляции разработана в 1970−1980 гг. американским физиком-теоретиком Аланом Гутом и советскими физиками Андреем Линде и Алексеем Старобинским (РАН); она вносит существенные изменения в теорию горячей Вселенной Г. Гамова. В частности, для объяснения феноменальной однородности Вселенной и ее «плоскости» ими введен принцип инфляции – сверхбыстрого расширения Вселенной на начальной стадии существования. За «новаторскую теорию космической инфляции» А. Линде, А. Старобинский и А. Гут получили премию Кавли по астрофизике в размере $1 млн. Прим. ред.

147

Фримен Дайсон (1923) – американский физик-теоретик английского происхождения. Член Лондонского королевского общества и Национальной академии наук США. Один из создателей квантовой электродинамики. Прим. ред.

148

Яаков Бекенштейн (1947−2015) – израильский физик-теоретик. Первым в мире высказал идеи относительно применения термодинамики к описанию черных дыр. Лауреат премии Вольфа по физике (2012). Член Израильской академии естественных и гуманитарных наук. Прим. ред.

149

Карл Поппер (1902−1994) – австрийский и британский философ и социолог. Один из самых влиятельных в XX в. Наиболее известен трудами по философии науки, а также социальной и политической. Основоположник философской концепции критического рационализма. Прим. ред.

150

Shawn Carlson, A Double-Blind Test of Astrology, Nature 318 (December 5, 1985): 419−25.

151

Леон Ледерман (1922) – американский физик, профессор, лауреат премии Вольфа по физике (1982), лауреат Нобелевской премии по физике (1988) за открытие мюонного нейтрино. Прим. ред.

152

Существующие кварки названы «верхний», «нижний», «прелестный», «странный», «истинный» и «очарованный». Прим. науч. ред.

153

Издана на русском языке: Шрёдингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики? М.: РИМИС, 2009. Прим. ред.

154

Энты (англ. Ents) – в легендариуме Дж. Толкина один из народов, населяющих Средиземье, внешне сильно напоминающий деревья. Их название происходит от англосаксонского слова, означающего «великан». Легендариум – в исследованиях литературного творчества английского писателя Дж. Толкина общепринятое обозначение совокупности произведений и незавершенных работ автора, посвященных вымышленной вселенной Арда и ее главной составляющей – Средиземью. Это, в частности, книги «Сильмариллион», «Властелин колец», «Падение Нуменора» и др. Прим. ред.

155

Клод Шеннон (1916−2001) – американский инженер, криптоаналитик и математик. Cчитается «отцом информационного века» (основатель теории информации). Внес огромный вклад в теорию вероятностных схем; теорию игр; теорию автоматов и теорию систем управления – области наук, входящие в понятие «кибернетика». В 1948 г. предложил использовать слово «бит» для обозначения наименьшей единицы информации. Важной особенностью теории Шеннона было понятие энтропии. Он показал, что введенная им энтропия эквивалентна мере неопределенности информации в передаваемом сообщении. Прим. ред.

156

Вальтер Ритц (1878−1909) – швейцарский физик-теоретик и математик. Работы по физике посвящены спектроскопии, теории теплового излучения, электродинамике. В 1908 г. открыл закон, согласно которому волновое число любой спектральной линии равно разности двух термов из множества термов, присущих этому элементу. В математике известен метод Ритца по решению вариационных задач. Прим. ред.

157

Джозеф Лармор (1857−1942) – ирландский физик и математик, профессор на кафедре математики Кембриджского университета. В 1897 г. опубликовал теорию преобразования, теперь известную под именем Лоренца, за два года до Лоренца и за восемь лет до Эйнштейна. Прим. ред.

158

Physikalische Zeitschrift («Физический журнал») – немецкоязычный рецензируемый научный журнал, издававшийся с 1899 по 1945 гг. Известен публикациями нескольких фундаментальных работ, оказавших большое влияние на развитие современной физики. Прим. ред.

159

Джон Уилер (1911−2008) – американский физик-теоретик, член Национальной академии наук США. Президент Американского физического общества. Научные работы относятся к ядерной физике, проблеме термоядерного синтеза, теории относительности, единой теории поля, теории гравитации, астрофизике. Придумал два термина, впоследствии широко распространившиеся: «черная дыра» и «кротовая нора». Изучал гравитацию и релятивистскую астрофизику; один из создателей геометродинамики. Прим. ред.

160

Юджин Вигнер (1902−1995) – американский физик и математик венгерского происхождения, лауреат Нобелевской премии по физике (1963) «за вклад в теорию атомного ядра и элементарных частиц, особенно с помощью открытия и приложения фундаментальных принципов симметрии» (совместно с М. Гёпперт-Майер и Х. Йенсеном). Его называют тихим гением, некоторые современники считали его равным Эйнштейну, но не таким знаменитым. Известен тем, что положил основы теории симметрий в квантовой механике; исследованиями атомного ядра и некоторыми теоремами. Прим. ред.

161

Генри Расселл (1877−1957) – американский астрофизик, директор астрономической обсерватории Принстонского университета. Разработал одну из первых теорий эволюции звезд; первым определил содержание химических элементов в атмосфере Солнца, получил оценки содержания химических элементов во Вселенной. Исследовал связь между спектрами звезд и их светимостью. Сформулировал концепцию звездной эволюции о том, что основным источником энергии звезды служит ее гравитационное сжатие. Позже предположил существование у звезд иных источников энергии. Прим. ред.

162

Джон фон Нейман (1903−1957) – венгро-американский математик еврейского происхождения, сделавший важный вклад в квантовую физику, квантовую логику, функциональный анализ, теорию множеств, информатику, экономику и другие отрасли науки. Наиболее известен как человек, с именем которого (спорно) связывают архитектуру современных компьютеров (т. н. архитектура фон Неймана), применением теории операторов к квантовой механике (алгебра фон Неймана), а также как участник Манхэттенского проекта, создатель теории игр и концепции клеточных автоматов. Прим. ред.

163

Вольфганг Паули (1900−1958) – швейцарский физик-теоретик, работавший в области физики элементарных частиц и квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1945). Ввел термин «спинор» для описания спина электрона. Предсказал существование нейтрино. Прим. ред.

164

Издана на русском языке: Фейнман Р. Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман! М.: АСТ, 2016. Прим. ред.

165

Ipse dixit – в переводе с латыни означает «он сказал», то есть «голословное утверждение» (англ.). Прим. ред.

166

QED (quod erat demonstrandum, лат.) – «что и требовалось доказать». Прим. перев.

167

Более полная цитата: «Это не только неправильно, это даже не дотягивает до ошибочного!». Прим. науч. ред.

168

Святой Грааль – в средневековых кельтских и нормандских легендах одно из орудий Страстей – чаша, из которой Иисус Христос вкушал на Тайной вечере и в которую Иосиф Аримафейский собрал кровь из ран распятого на кресте Спасителя. Прим. ред.

169

Тредециллион – 10^42. Прим. ред.

170

Каон (или K-мезон, обозначается K) – мезон, содержащий один странный антикварк и один u– или d-кварк (антикаоны, напротив, содержат один странный кварк и один u– или d-антикварк). Каоны – самые легкие из всех странных (то есть имеющих ненулевое квантовое число, называемое странностью) адронов. Прим. ред.

171

Андрей Сахаров (1921−1989) – советский физик-теоретик, академик АН СССР, один из создателей первой водородной бомбы. Общественный деятель, диссидент и правозащитник; народный депутат СССР, автор проекта Конституции Союза Советских Республик Европы и Азии. Лауреат Нобелевской премии мира (1975). Прим. ред.

172

Справедливости ради надо сказать, что первым ученым, выдвинувшим идею о том, что энергия может излучаться порциями, то есть не непрерывно, был Макс Планк. Прим. науч. ред.

173

Аппроксимация (от лат. аpproximare – приближаться) – метод сознательного упрощения «слишком точного» теоретического знания, чтобы привести его в соответствие с потребностями и возможностями практики. Прим. ред.

174

Эрвин Шрёдингер (1887−1961) – австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1933). Член ряда академий наук мира, в том числе иностранный член Академии наук СССР. Прим. ред.

175

Имеется в виду спор двух лагерей ученых касательно интерпретации квантовой физики. Эйнштейн и Шрёдингер отстаивали идею «скрытых переменных», а Бор, Борн, Гейзенберг и др. выступали за вероятностный подход, известный как «копенгагенская интерпретация». Прим. науч. ред.

176

Амплитуда вероятности (волновая функция). Прим. науч. ред.

177

Макс Борн (1882−1970) – немецкий и британский физик-теоретик и математик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1954). Член ряда научных обществ мира, в том числе иностранный член Академии наук СССР. Прим. ред.

178

Вернер Гейзенберг (1901−1976) – немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике (1932), член ряда академий и научных обществ мира. Прим. ред.

179

Стюарт Фридман (1944−2012) – американский физик, лауреат премии Боннера в области ядерной физики (2007). Прим. ред.

180

Джон Клаузер – американский физик, специалист по квантовой механике. Прим. ред.

181

Более того, в экспериментах Алена Аспе, посвященных проверке неравенства Белла, было доказано отсутствие «скрытых параметров». Прим. науч. ред.

182

Закон фотоэффекта. Прим. науч. ред.

183

Формально кубит имеет два возможных состояния, тогда как обычный бит имеет два возможных значения (0 или 1).

184

Форрест Гамп – главный герой одноименного фильма режиссера Р. Земекиса. Имя созвучно с англ. forest gump, т. е. «лесной болван» («деревенский дурачок»). Умственно отсталого Форреста жизнь проносит через важнейшие события американской истории второй половины XX в. Но он не теряется и благодаря спортивным способностям, хорошему характеру и жизнестойкости совершает военный подвиг, добивается «американской мечты» и невольно влияет на политику и культуру США. Прим. ред.

185

Фейнман использовал более старый термин – квантовая механика. Вначале, при создании, квантовая физика действительно сосредоточивалась на вопросах механики, объектов и их движения, но современная наука имеет дело также с квантовым поведением полей, включая электромагнитное и ядерные, поэтому я считаю, что правильнее и понятнее использовать термин «квантовая физика».

186

Дэвид Мермин однажды произнес: «Если бы меня попросили описать копенгагенскую интерпретацию в двух словах, я бы сказал – “заткнись и считай!”». Прим. науч. ред.

187

В России эти гибридные термины предложил известный советский физик А. С. Компанеец: «волницы» = волны + частицы или «частолны» = частицы + волны. Прим. ред.

188

Такой вывод Эйнштейн сделал исходя из того, что интенсивность света влияла только на количество «выбитых» электронов, а их энергия зависела только от длины волны света, что шло вразрез с классическим волновым представлением о свете. Прим. науч. ред.

189

Вообще говоря, к идее квантов Планк пришел, изучая излучение абсолютно черных тел. Прим. науч. ред.

190

Поль Дирак (1902−1984) – английский физик, один из создателей квантовой механики, иностранный член-корреспондент АН СССР. Разработал квантовую статистику (статистика Ферми−Дирака); релятивистскую теорию движения электрона, предсказавшую позитрон, а также аннигиляцию и рождение пар. Предложил метод вторичного квантования. Заложил основы квантовой электродинамики и квантовой теории гравитации. Нобелевская премия (1933, совместно с Э. Шрёдингером). Прим. ред.

191

Процесс аналогичен трем стадиям установления истины по Шопенгауэру. См. эпиграф к главе 4.

192

Δx– это неопределенность положения; Δp – неопределенность импульса; символ ≥ означает «больше или равно»; h – постоянная Планка.

193

На одной из Сольвеевских конференций Эйнштейн и Бор жили в одной гостинице. Встречаясь каждым утром во время завтрака, Эйнштейн приводил Бору аргумент, доказывающий, что вероятностная интерпретация неверна. К концу дня Бор находил контраргумент, показывающий, что Эйнштейн неправ. Прим. науч. ред.

194

Оценку планковской длины можно вывести из общих принципов, приведенных в тексте, таким образом: в квантовой физике типичная минимальная энергия в кубическом объеме со стороной L дается в виде E = hc/(2πL), где h – постоянная Планка. Из квантовой физики получается, что «нулевая точка» энергии составляет половину этой величины, hc/(4πL). Для черной дыры принимаем L равным радиусу Шварцшильда для массы M = E/c². Получаем уравнение Rs = L = 2GM/c². Подставив одно уравнение в другое, получаем L = √(Gh/2πc³), уравнение для планковской длины.

195

Перевод С. Я. Маршака. Более современный вариант этой песенки мог бы начинаться так: «Батарейка села – мышка отказала…», а заканчиваться термоядерной войной.

196

«Парк Юрского периода» – научно-фантастический фильм 1993 г. режиссера Ст. Спилберга по одноименному роману М. Крайтона. Повествует о вымышленном острове, где ученые создали парк развлечений с клонированными динозаврами. Прим. ред.

197

Кроме того, в «Парке Юрского периода» все травоядные динозавры показаны как добрые, дружелюбные и безопасные. Интересно, считали ли автор сценария М. Крайтон и режиссер С. Спилберг дружелюбными и безопасными всех травоядных млекопитающих, таких как слоны, носороги, буйволы и бегемоты.

198

Мартин Рис – английский космолог и астрофизик, королевский астроном. Известен работами в области исследования реликтового излучения и исследования квазаров. Прим. ред.

199

Роджер Пенроуз (1931) – английский академик, работающий в различных областях математики, общей теории относительности и квантовой теории; автор теории твисторов. Среди наград – премия Вольфа (1988, совместно со С. Хокингом) и медаль Копли (2008). Прим. ред.

200

Объективная редукция – гипотетический процесс спонтанного схлопывания, коллапса волновой функции системы за счет гравитационных эффектов на микроуровне. Согласно гипотезе Пенроуза, это физическая основа сознания. Прим. ред.

201

Таким образом, можно выделить три основные разновидности интерпретации квантовой физики: идея скрытых параметров (Эйнштейн, Шрёдингер), копенгагенская интерпретация (Бор, Борн) и многомировая интерпретация. Прим. науч. ред.

Многомировая интерпретация (ММИ), или интерпретация Эверетта, – это интерпретация квантовой механики, которая предполагает существование параллельных вселенных, в каждой из которых действуют одни и те же законы природы и которым свойственны одни и те же мировые постоянные, но которые находятся в различных состояниях. ММИ отказывается от недетерминированного коллапса волновой функции, который в копенгагенской интерпретации сопутствует любому измерению. Она обходится в объяснениях только явлением квантовой сцепленности и обратимой эволюцией состояний. Прим. ред.

202

Пер. М. Вронченко. Прим. ред.

203

Spooky (англ.) – многозначное слово, может означать и «призрачный», и «страшный», и «безумный». Прим. перев.

204

Словосочетанием Spukhafte Fernwirkung Эйнштейн назвал сверхъестественную связь между запутанными частицами. Существует много вариантов перевода: «призрачное действие на расстоянии», «кошмарное дальнодействие» и мн. др. Мы выбрали вариант «жуткое дальнодействие» как лучше всего отражающий тревогу Эйнштейна. Прим. перев.

205

Борис Подольский (1896−1966) – американский физик-теоретик русского происхождения. Совместно с В. А. Фоком и П. Дираком в 1932 г. развил многовременной формализм и построил релятивистски инвариантную форму квантовой электродинамики. Исследовал роль постоянной тонкой структуры. Прим. ред.

206

Натан Розен (1909−1995) – американский и израильский физик-теоретик. Известен совместными работами с А. Эйнштейном по некоторым вопросам ОТО, квантовой механики и космологии. Занимался проблемами обоснования квантовой механики и вопросами взаимодействия тел в ОТО. Разработал биметрическую теорию гравитации. Прим. ред.

207

Парадокс Эйнштейна−Подольского−Розена (ЭПР-парадокс) – попытка указания на неполноту квантовой механики с помощью мысленного эксперимента, который заключается в измерении параметров микрообъекта косвенным образом, без оказания непосредственного воздействия. Прим. ред.

208

Известное также как уравнение Клапейрона−Менделеева. Прим. науч. ред.

209

Джон Белл (1928−1990) – физик-теоретик. Сформулировал и доказал неравенства Белла (теорему Белла), чем заложил теоретическую основу для экспериментальных исследований ЭПР-парадокса. Прим. ред.

210

Дэвид Бом (1917−1992) – ученый-физик, известный своими работами по квантовой физике, философии и нейропсихологии. Занимался голографической моделью Вселенной. Прим. ред.

211

Неравенство Белла, или теорема Белла, показывает, что и при наличии в квантово-механической теории скрытого параметра, влияющего на любую физическую характеристику квантовой частицы, и при отсутствии такового можно провести эксперимент, статистические результаты которого подтвердят или опровергнут наличие скрытых параметров в квантово-механической теории. Условно говоря, в одном случае статистическое соотношение составит не более 2:3, а в другом – не менее 3:4. Прим. ред.

212

Не будем забывать, что в изобретение лазера внесли вклад советские ученые А. М. Прохоров и Н. Г. Басов (Нобелевская премия по физике, 1964). Прим. науч. ред.

213

В настоящих 3D-очках, как правило, разделяется свет, поляризованный на +45° и −45°; или используется «круговая» поляризация, позволяющая сохранять эффект объема вне зависимости от угла наклона головы смотрящего.

214

В этом случае вероятности обнаружения перемножаются: 1/2 × 1/2 = 1/4. Прим. науч. ред.

215

Ален Аспе (1947) – французский физик, специалист по квантовой оптике, теории скрытых параметров и квантовой запутанности. Прим. ред.

216

Теорему о невозможности передачи информации первоначально доказали в 1989 г. двое моих коллег по университету в Беркли, Ф. Эберхард и Р. Росс, а затем в 2003 г. уточнили другие, в первую очередь Э. Перес и Д. Терно.

217

Для специалистов: в представлении Гейзенберга – альтернативном изложении квантовой физики – нет явных волновых функций, но имеются векторы состояния, которые тоже меняются с бесконечной скоростью. (Подход, предложенный Шрёдингером, принято называть волновым, а подход Гейзенберга – матричным. Оба подхода дают совершенно одинаковые результаты вычислений. Прим. науч. ред.)

218

См. статью «Самый странный граф в современной физике», размещенную в блоге Шона Кэррола 17 января 2013 г. http://www.preposterousuniverse.com/blog.

219

К сторонникам такой интерпретации можно отнести и Стивена Хокинга. Он считает, что существует множество других миров, где электрон и протон обладают другими массами, притягиваются одноименные заряды и т. д.; нам повезло жить именно в нашем мире лишь потому, что, возможно, это единственный мир, где такая жизнь возможна. Прим. науч. ред.

220

Теоретически всю известную человечеству информацию можно записать в квантовом состоянии электрона. Проблема заключается в извлечении этой информации. Прим. науч. ред.

221

RSA (аббревиатура от фамилий Rivest, Shamir и Adleman) – криптографический алгоритм с открытым ключом, основывающийся на вычислительной сложности задачи факторизации больших целых чисел. Широко используется для безопасной передачи данных. Прим. ред.

222

Согласно физической теории, это минимальное тепло задается величиной , где k – наш старый приятель, постоянная Больцмана из статистической физики, а T – абсолютная температура.

223

«Назад в будущее» – научно-фантастический фильм 1985 г. о путешествиях во времени, описывающий альтернативные реальности маленького американского городка Хилл-Вэлли и нескольких проживающих там семей. Режиссер Р. Земекис, один из продюсеров Ст. Спилберг. Прим. ред.

224

Карл Андерсон (1905−1991) – американский физик-экспериментатор. Известен именно открытием позитрона, за которое был удостоен Нобелевской премии по физике (1936). Прим. ред.

225

Как известно, источник магнитного поля – движущиеся заряженные частицы. Дирак ввел понятие, известное как «монополь Дирака» – частица, обладающая магнитным зарядом. Прим. науч. ред.

226

Для специалистов: чтобы получить магнитный момент, Дираку все же пришлось ввести единственное дополнительное условие – «минимальное электромагнитное взаимодействие». Оно оказалось ложным для других частиц, которые в то время также считались элементарными, таких как протон. Сегодня мы знаем, что протон – составная частица из трех кварков и некоторых других штучек (глюонов. Прим. науч. ред.).

227

Принцип Паули гласит, что в атоме не может быть двух электронов (вообще говоря, фермионов) с одинаковыми квантовыми свойствами (спином, орбитальным числом и т. д.). К слову, на фотоны этот принцип не распространяется. Прим. науч. ред.

228

Одна из гипотез, предлагаемая теорией струн. Прим. науч. ред.

229

Виктор Гесс (1883−1964) – австро-американский физик, нобелевский лауреат 1936 г. за открытие космических лучей (совместно с К. Андерсоном). Прим. ред.

230

Дмитрий Скобельцын (1892−1990) – российский физик, академик АН СССР. В 1927−1929 гг. открыл заряженные частицы космических лучей и появление их генетически связанными группами (ливнями), заложив основы физики частиц высоких энергий. Исследовал широкие атмосферные ливни космических лучей и открыл (с учениками) образование электронно-ядерных ливней и ядерно-каскадный процесс. Создал школу специалистов по физике атомного ядра и физике космических лучей. Прим. ред.

231

Лэмбовский сдвиг – смещение уровней энергии связанных состояний электрона во внешнем поле, обусловленное радиационными поправками. Экспериментально установлен У. Лэмбом и Р. Резерфордом в 1947 г. В том же году теоретически объяснен Х. Бете. Прим. ред.

232

Эффект Казимира заключается во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме (проще говоря, в пустом пространстве есть энергия, которая может воздействовать на физические объекты). Эффект был предсказан голландским физиком Х. Казимиром (1909−2000) в 1948 г., а позднее подтвержден экспериментально. Прим. ред.

233

Виртуальный фотон отличается тем, что его невозможно наблюдать; при протекании электрического тока подразумевается, что электроны обмениваются друг с другом виртуальными фотонами, таким образом отталкиваясь друг от друга. Прим. науч. ред.

234

Хокинг С. Краткая история времени. СПб.: Амфора, 2015. Прим. ред.

235

Издан на русском языке: Саган К. Контакт. СПб.: Амфора, 2005. Прим. ред.

236

Кип Торн – американский физик и астроном, один из главных мировых экспертов по общей теории относительности. Прим. ред.

237

Некоторые ученые считают, что машина времени позволит вернуться назад, но не раньше момента изобретения этой машины. Прим. науч. ред.

238

Роман издан на русском языке: Гэблдон Д. Чужестранка. М.: Центрполиграф, 1996. Прим. ред.

239

«Осторожно, спойлер!» (spoiler alert) – это выражение означает преждевременно раскрытую важную сюжетную информацию, которая разрушает задуманную интригу, не позволяет пережить ее самостоятельно и, соответственно, лишает некоторой части удовольствия от этого сюжета, чем портит впечатление от него. Прим. ред.

240

Курт Гёдель (1906−1978) – австрийский логик, математик и философ математики. Наиболее известен сформулированной и доказанной им теоремой о неполноте. Прим. ред.

241

Кристиан Гольдбах (1690−1764) – немецкий математик; действительный член (профессор математики с 1725 г.), первый конференц-секретарь и советник Академии наук и художеств, тайный советник. В истории математики более всего известен проблемой, которую в 1742 г. предложил в письме Л. Эйлеру. Прим. ред.

242

Diplacusis binauralis (бинауральный диплакузис) – частотные искажения звука, обусловленные сдвигом частоты воспринимаемого звука. Прим. ред.

243

«Эксплораториум» – интерактивный научный музей в Сан-Франциско, США. Был основан физиком и преподавателем Ф. Оппенгеймером, открыт в 1969 г. По одной из оценок, это «зал игральных автоматов безумного ученого, арт-студия и экспериментальная лаборатория в одном флаконе». Прим. ред.

244

Треккеры (поклонники сериала) знают, что именно в таком варианте эта фраза в оригинальном сериале не звучит ни разу, хотя однажды Кирк действительно произносит: «Скотти, передай меня по лучу».

245

Кассандра – в древнегреческой мифологии дочь последнего троянского царя Приама и его второй супруги Гекубы. Получила пророческий дар от влюбившегося в нее Аполлона, однако за то, что она, обманув, не ответила ему взаимностью, он сделал так, что предсказаниям Кассандры никто не верил. Ее осмеивали и принимали за безумную. Но предсказанное сбылось в гибели ее семьи и разрушении Трои. Прим. ред.

246

«Менон» – один из «Диалогов» Платона. Посвящен теме, которая не раз обсуждается в других его диалогах, – добродетели. По словам А. Ф. Лосева, это «первый набросок объективного идеализма». Прим. ред.

247

Майевтика была создана Сократом как искусство извлекать скрытое в каждом человеке знание с помощью наводящих вопросов. Сократ не делится истиной, а лишь помогает собеседнику самостоятельно «извлечь» ее из собственного разума, руководствуясь тезисом (постулатом) о предсуществовании истины. Майевтику в чем-то можно сравнить с современным коучингом. Прим. ред.

248

Гиппас из Метапонта (574−522 гг. до н. э.) – древнегреческий философ-пифагореец, математик, теоретик музыки. Есть предположение, что математическая линия пифагорейской школы начинается не от Пифагора, а от Гиппаса. Легенда в разных вариантах говорит о том, что он был не то убит, не то изгнан из пифагорейской школы – или за то, что распространил учение Пифагора в письменном виде, или за то, что раскрыл для непосвященных построение додекаэдра в сочинении «Об иррациональных линиях», или же за разглашение учения о несоизмеримости и иррациональности. Достоверность легенды не поддается проверке. Гиппас учил, что Вселенная одна, вечно движима и конечна; началом всего полагал огонь и был убежден, что время изменения космоса определено, то есть допускал детерминизм. Прим. ред.

249

Cogito ergo sum – «Я мыслю, следовательно, я существую». Фраза, постулируемая французским философом и математиком Рене Декартом в труде «Начала философии». Исходя из этого Декарт пытался построить систему философии, свободную от элементов веры и основанную всецело на деятельности разума. Прим. ред.

250

Перевод В. Кюхельбекера. Прим. ред.

251

«Космос: пространство и время» – американский научно-популярный документальный сериал (2014). Продолжение сериала «Космос: персональное путешествие» (1980). Нил Тайсон (1958) – американский астрофизик, доктор философии по физике, писатель, популяризатор науки. Директор планетария Хейдена в Американском музее естественной истории. Ведущий упомянутого сериала. Прим. ред.

252

Издана на русском языке: Докинз Р. Бог как иллюзия. М.: Азбука-Аттикус, 2015. Прим. ред.

253

Eruditio interruptus – с лат. «обучение прерывается». Прим. ред.

254

Голографический принцип – гипотеза, выдвинутая в 1993 г. нидерландским физиком-теоретиком Герардом т’Хофтом. Она состоит из двух основных утверждений: 1. Вся информация, содержащаяся в некой области пространства, может быть представлена как «голограмма» – теория, которая «живет» на границе этой области; 2. Теория на границах исследуемой области пространства должна содержать, самое большее, одну степень свободы на планковскую площадь. Если взять для примера кафе, то, согласно голографическому принципу, вся физика, присутствующая в этом кафе, определяется физикой на его стенках. Прим. ред.

255

По преданию, Заратустре было откровение, из которого он узнал, что в начале мира существовали лишь две первичные сущности. Одна выбрала добро, а другая – зло. «Воистину есть два первичных духа, близнецы, славящиеся своей противоположностью. В мысли, слове и действии – они оба добрый и злой… Когда эти два духа схватились впервые, они создали бытие и небытие, и то, что ждет в конце концов тех, кто следует пути лжи, – это худшее, а тех, кто следует пути добра, ждет лучшее». Прим. ред.

256

Вацлав Гавел (1936−2011) – чешский писатель, драматург, диссидент, правозащитник и государственный деятель, последний президент Чехословакии и первый президент Чехии. Один из основателей Гражданского форума. Член Европейского совета по толерантности и примирению. Прим. ред.

257

Английская детская загадка. Прим. ред.

258

В то время она называлась Радиационной лабораторией им. Лоуренса в Беркли. Позже ее переименовали в Лабораторию им. Лоуренса в Беркли. Сегодня это Национальная лаборатория им. Эрнеста Орландо Лоуренса в Беркли, или просто Лаборатория в Беркли для краткости. Мне кажется, название специально сделали излишне длинным, чтобы большинство людей пользовались кратким его вариантом: имя Лоуренса прочно ассоциируется с бомбами. Беватрон получил такое название потому, что был первым устройством, разогнавшим частицы до энергии в миллиард электронвольт (эВ).

259

Клаузер и Фридман в 1972 г. провели эксперименты по проверке неравенств Белла. За ними последовали эксперименты Аспе в 1981 г. Результаты, полученные как в опытах Фридмана−Клаузера, так и в опытах Аспе, четко говорили в пользу отсутствия эйнштейновского локального реализма. «Жуткое дальнодействие» из мысленного эксперимента окончательно стало физической реальностью. В 2010 г. Клаузер, Аспе и Цайлингер стали лауреатами премии Вольфа по физике «за фундаментальный концептуальный и экспериментальный вклад в основы квантовой физики, в частности за серию возрастающих по сложности проверок неравенств Белла (или расширенных версий этих неравенств) с использованием запутанных квантовых состояний». Прим. ред.

260

Шопенгауэр А. О свободе воли. М.: Книжный клуб Книговек, 2015. Прим. ред.

261

Ницше Ф. По ту сторону добра и зла. М.: Азбука-Аттикус, 2015. Прим. ред.

262

Вообще, Кант считал свободу воли одной из «вещей в себе» – понятий, которые невозможно постичь. Прим. науч. ред.

263

Согласно Попперу, теория считается научной, если она фальсифицируема (то есть ее можно опровергнуть). Прим. науч. ред.

264

Дэвид Юм (1711−1776) – шотландский философ, представитель эмпиризма, психологического атомизма, номинализма и скептицизма; по мнению ряда исследователей, агностик, предшественник второго позитивизма (эмпириокритицизма, махизма), экономист и историк, публицист, один из крупнейших деятелей шотландского Просвещения. Прим. ред.

265

Джон Локк (1632−1704) – английский педагог и философ, представитель эмпиризма и либерализма. Один из самых влиятельных мыслителей Просвещения и теоретиков либерализма. Первым из мыслителей раскрыл личность через непрерывность сознания. Постулировал, что ум – это «чистая доска», то есть, вопреки декартовской философии, люди рождаются без врожденных идей, и знание вместо этого определено только опытом, полученным чувственным восприятием. Прим. ред.

266

Томас Джефферсон (1743−1826) – участник Войны за независимость США, один из авторов Декларации независимости (1776), третий президент США, один из отцов-основателей США, выдающийся политический деятель, дипломат и философ эпохи Просвещения. Прим. ред.

267

Томас Гоббс (1588−1679) – английский философ-материалист, один из основателей теории общественного договора и теории государственного суверенитета. Известен идеями, получившими распространение в этике, теологии, физике, геометрии и истории. Прим. ред.

268

Иеремия (Джереми) Бентам (1748−1832) – английский философ-моралист и правовед, социолог, юрист, один из крупнейших теоретиков политического либерализма, родоначальник одного из направлений в английской философии – утилитаризма. Прим. ред.

269

Джон Милль (1806−1873) – британский философ, экономист и политический деятель. Внес значительный вклад в обществознание, политологию и политическую экономию, в философию либерализма. Отстаивал концепцию индивидуальной свободы в противоположность неограниченному государственному контролю. Сторонник утилитаризма. Прим. ред.

270

Концепция Милля математически ущербна. В общем случае невозможно одновременно максимизировать результат по двум параметрам (благо и число людей), только по одному.

271

Издана на русском языке: Докинз Р. Эгоистичный ген. М.: АСТ, Corpus, 2013. Прим. ред.

272

Джон Драйден (1631−1700) – английский поэт, драматург, переводчик, эссеист и теоретик литературы. Его называли одним из трех величайших (наряду с Шекспиром и Мильтоном) представителей английской литературы XVII в. Прим. ред.

273

На момент издания книги были обнаружены гравитационные волны, образованные при слиянии двух черных дыр (11.02.2016 г., обсерватория LIGO), то есть не те «реликтовые», первичные гравитационные волны, о которых говорит автор. Прим. науч. ред.

274

BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization – фоновое изображение космической внегалактической поляризации) и Keck Array – серия экспериментов по исследованию реликтового излучения. В ходе этих экспериментов измерялась поляризация реликтового излучения, в частности измерения B-моды излучения. Эксперименты велись на трех поколениях аппаратуры, состоящей из BICEP1, BICEP2 и Keck Array. BICEP3 в настоящее время строится. Прим. ред.

275

Одним из предсказаний этой модели был бозон Хиггса, обнаруженный в БАКе в 2012 г. Прим. науч. ред.

276

Перевод Д. Винсачи. Прим. перев.

277

Для произвольного направления света необходимо применять дополнительные уравнения преобразования, введенные Эйнштейном: Y = y и Z = z. Начните с vx² + vy2² + vz² = с² и рассчитайте Vx, Vy и Vz. Вы обнаружите, что Vx² + Vy² + Vz² =с², но вот направление света при этом изменится. Изменение направления называется аберрацией звездного света; это явление без труда наблюдается как сдвиг видимого положения звезды при наблюдении ее с движущейся Земли.

278

За точку отсчета автор для упрощения берет момент рождения близнецов. Прим. ред.

279

Основано на моей книге Energy for Future Presidents.

280

Фурье-анализ основан на так называемых рядах Фурье. В соответствии с принципом интерференции ряд начинается с разложения сложной формы на простые – например, изменение земной поверхности объясняется землетрясением, изменения орбиты кометы – влиянием притяжения нескольких планет, изменение потока тепла – его прохождением сквозь препятствие неправильной формы из теплоизолирующего материала. Фурье показал, что сложная форма волны может быть представлена как сумма простых волн. Как правило, уравнения, описывающие классические системы, легко решаются для каждой из этих простых волн. Далее Фурье показал, как эти простые решения можно суммировать, чтобы получить решение всей сложной задачи в целом. Прим. ред.

281

Мазер – аналог лазера, работающий в микроволновом, а не в оптическом (как лазер) диапазоне. Прим. науч. ред.

282

Исидор Раби (1898−1988) – американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1944) «за резонансный метод измерений магнитных свойств атомных ядер». Прим. ред.

283

Энтони Хьюиш (1924) – английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1974) (совместно с М. Райлом) «за пионерские исследования в области радиофизики» и «за его [Хьюиша] определяющую роль в открытии пульсаров». Прим. ред.

284

Джозеф Тейлор-мл. (1941) – американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1993) «за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации», совместно с Р. Халсом. В 1991 г. измерения сокращающейся орбиты пары звезд, образующих пульсар, дали подтверждение общей теории относительности и возможности излучения этой системой гравитационных волн. Прим. ред.

Content

Ричард Мюллер
Сейчас. Физика времени

Введение

Часть I Удивительное время

Глава 1 Запутанная тайна Великие философы имели весьма разноречивые и путаные представления о времени, но физика дала надежду на то, что мы поймем его

Не поддающееся описанию сейчас

Нарушенная симметрия

Глава 2 Возвращение Эйнштейна в детство Важнейшие вопросы о времени очень просты…

Теория относительности

Замедление времени

Правильные системы отсчета

Путешествия в будущее

Глава 3 Это скачущее сейчас Изменение системы отсчета создает дискретные скачки в определении времени отдаленных событий

Сжимающееся пространство, плоские протоны

Эксперимент Майкельсона−Морли

E = mc²

Время, энергия и красота

Что же особенного в скорости света?

Черные дыры

Глава 4 Противоречия и парадоксы Релятивизм выглядит логически непоследовательным, пока вы не посмотрите на него пристально и тщательно…

Парадокс шеста и сарая

Парадокс близнецов

Тахионное убийство

Свобода воли поддается проверке

Глава 5 Предел скорости света, уловки скорости света Расстояние между объектами вполне может изменяться быстрее скорости света…

Принцип эквивалентности Эйнштейна

Достижение скорости света

На верхних этажах время течет быстрее

Глава 6 Мнимое время Пространство и время едины…

Нуль, иррациональные и мнимые числа

Мнимое время и четырехмерное пространство-время

Самая замечательная работа всей моей жизни

Пространство-время

Глава 7 В бесконечность и далее Время, текущее поблизости от черных дыр, намного необычнее, чем большинство из нас думает…

Черные дыры ничего не «засасывают»

Достижение световой скорости и уход в бесконечность

На самом деле никаких черных дыр нет

Другая лазейка вокруг скорости света

Пространственно-временные туннели

Часть II Сломанная стрела

Глава 8 Стрела преткновения Эддингтон утверждает, что движение времени вперед объясняется увеличивающейся энтропией

Глава 9 Раскрываем секрет энтропии Энтропия звучит таинственно, но это все-таки и инструмент, который обладает обычными единицами измерения: калория на градус…

Движущая сила огня

Энтропия теплового потока

Энтропия смешения

Глава 10 Эта таинственная энтропия Более глубокое значение энтропии – одно из замечательнейших достижений в истории физики…

Физика бесконечных множеств

И все-таки, что же это такое – энтропия?

Тирания энтропии

Энтропия – это беспорядок

Энтропия и квантовая физика

Глава 11 Объяснение времени Эддингтон объясняет, как энтропия определяет направление стрелы времени

Это единственное, что у нас есть

Кино, прокрученное в обратном направлении

Первичные и вторичные законы физики

Почему наша Вселенная столь невероятна

Глава 12 Наша маловероятная вселенная Чтобы энтропия увеличивалась, как предсказывает Эддингтон, Вселенная должна иметь низкую энтропию. Но как это возможно?

Не нужна никакая кора

В начале всего…

Решение загадки

Глава 13 Вселенная извергается Физика создания – природа Большого взрыва…

Огненный шар Большого взрыва

В поисках начала времени

Мы – это квантовые флуктуации

Вселенная Тёрстона

Глава 14 Конец времени Теперь, когда мы знаем, что случилось за прошедшие 14 миллиардов лет, что можно сказать о грядущих 100 миллиардах?..

В поисках конца времени

Ускоряющаяся Вселенная и темная энергия

Самая большая ошибка Эйнштейна

Инфляционная модель Вселенной

Глава 15 Выбрасываем энтропию под автобус Признаюсь, что сомневаюсь в разъяснениях Эддингтона по поводу стрелы времени

Успешные испытания теории

Энтропия Вселенной

Частица Бога ломает стрелу энтропии

Как же Эддингтону удалось нас обмануть?

Глава 16 Альтернативные стрелы Если не энтропия направляет стрелу времени, то что же?

Стрела уменьшающейся энтропии

Стрела черной дыры

Стрела излучения

Достижения Фейнмана

Психологическая стрела

Антропическая стрела времени

Нарушение обратимости времени

Квантовая стрела

Космологическая стрела

Часть III «Жуткая» физика

Глава 17 Кот одновременно живой и мертвый Начинаем представление квантовой физики с самого абсурдного примера…

Кот Шрёдингера

Копенгагенская интерпретация

Призрак, лежащий в основе реальности

Квантовая теория противоречит теории относительности

Глава 18 Подразним квантовый призрак Загадочный вопрос с измерением, и как плохо мы исследуем квантовую волновую функцию…

Частолны и волницы

Сойти с ума

Истинная неопределенность

Минимальное расстояние

Неопределенность хаоса

Скелет в квантовом шкафу

Глава 19 Эйнштейн повержен Убеждение Эйнштейна, что квантовая физика ошибочна, опровергнуто с помощью ключевого эксперимента…

Убийца теории скрытых параметров

Запутанность

Связь быстрее света

«Костыли»

Чем так неприятно жуткое дальнодействие

Вычисления с призраками

Глава 20 Вот и путешествие назад во времени Открыт позитрон – позже Фейнман определил его как электрон, движущийся назад во времени…

Самая абсурдная теория этой книги

Дирак неохотно предсказывает антивещество

Возрожденный эфир

Фейнман обращает время вспять

Мы все – одно

Может ли человек путешествовать назад во времени

Часть IV Физика и реальность

Глава 21 По ту сторону физики Получение знания, имеющего смысл, но неизмеримого экспериментально…

Ограниченность науки

Шок от Гёделя

Как выглядит синий цвет?

Передай меня по лучу, Скотти

Что такое наука?

Глава 22 Cogito ergo sum Существует ли «сейчас» в мозге? Или только в сознании?

Физикализм

Эмпатия

Cogito ergo sum

Глава 23 Свобода воли В головоломке не хватает еще одной важной детали. Она располагается на краешке квантово-физической части картины и, как вскоре выяснится, необходима нам, чтобы придать понятию «сейчас» его особый смысл…

Когда-то давно в моей лаборатории…

Классическая свобода воли

Управление энтропией

«Мы исходим из той самоочевидной истины…»

Свобода воли и запутанность

Эгоистичные гены

Часть V Сейчас

Глава 24 Четырехмерный большой взрыв Когда Большой взрыв создает новое пространство, он создает также и новое время… и это новое время – ключ к «сейчас»

Передний край времени

Одновременны ли все сейчас?

Восприятие сейчас

Фальсификация космологического происхождения времени. Часть I

Фальсификация космологического происхождения времени. Часть II

Будущее физики

Глава 25 Смысл понятия сейчас Все детали пазла на месте. Как выглядит картина целиком?

Приложения

Приложение 1 Математика относительности

Растяжение времени

Линейное сжатие

Одновременность

Скорости объектов и скорость света

Время-перевертыш

Математика парадокса шеста и сарая

Математика парадокса близнецов

Математика тахионного убийства

Математика гравитационного эффекта времени

Приложение 2 Время и энергия

Приложение 3 Доказательство иррациональности √2

Приложение 4 Творение

Приложение 5 Математика неопределенности

Приложение 6 Физика и бог

Я

Благодарности

Эту книгу хорошо дополняют:

Сноски