Карло Ровелли

Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

CARLO ROVELLI

Reality Is Not What It Seems

The Journey to Quantum Gravity

© 2014, Raffaello Cortina Editore

© Перевод на русский язык ООО Издательство «Питер», 2020

© Издание на русском языке, оформление ООО Издательство «Питер», 2020

© Серия «New Science», 2020

Предисловие к русскому изданию

Александр Сергеев, переводчик, научный редактор, сооснователь и завлаб «Открытой лабораторной» (http://laba.media)

Главный парадокс науки состоит в том, что, открывая нам твердые и надежные знания о природе, она в то же время стремительно меняет ею же созданные представления о реальности. Эта парадоксальность как нельзя лучше отражена в книге Карло Ровелли, которая посвящена самой острой проблеме современной фундаментальной физики – поискам квантовой теории гравитации.

Это первая научно-популярная книга на русском языке, основной темой которой является теория петлевой квантовой гравитации. Упоминание этого названия многие слышали в сериале «Теория Большого взрыва», но узнать, в чем смысл петлевой гравитации, было почти негде. А между тем эта теория – один из важных игроков на переднем крае фундаментальной физики.

Около ста лет назад в науке произошла грандиозная революция. На смену ньютоновской механистической парадигме пришли две новые фундаментальные теории. Одна из них – общая теория относительности, благодаря которой мы узнали, что живем в искривленном четырехмерном пространстве-времени, неевклидова геометрия которого и есть гравитация. Другая – квантовая теория поля, показавшая, что все знакомые нам предметы, включая наши тела, состоят из «размазанных» по пространству полей вероятности.

Эти теории блестяще подтвердились везде, где их удалось проверить экспериментально, но при этом они несовместимы между собой. И хотя их противоречия проявляются только в экстремальных условиях черных дыр и Большого взрыва, логика неумолима: по крайней мере одна из теорий неточна. Многочисленные попытки геометризовать фундаментальные взаимодействия и квантовать гравитационное поле не привели к успеху, и для снятия противоречий нам, похоже, предстоит вскрыть новый слой физической реальности. Большие надежды в этом плане подает теория струн – фаворит в гонке за квантовой гравитацией. Она достаточно широко популяризирована, но в последние годы сталкивается с трудностями, что подогревает интерес к ее конкурентам.

Петлевая квантовая теория гравитации – как раз и есть главный конкурент. Если теория струн наделяет пространство дополнительными сильно закрученными измерениями, то петлевая теория меняет картину реальности еще радикальнее. Вместо пространства и времени мы сталкиваемся дискретной флуктуирующей спиновой пеной, которая лишь в относительно крупных масштабах, как бы при взгляде издали, становится привычным непрерывным пространством-временем.

Карло Ровелли входит в число основоположников петлевой квантовой гравитации. Занимаясь одной из самых экзотических и передовых фундаментальных теорий, он, однако, крепко укореняет свои идеи в общекультурном фундаменте. Для этого есть глубокая причина. Картина реальности, предлагаемая петлевой квантовой гравитацией, настолько необычна и контринтуитивна, что необходимо потратить специальные усилия, чтобы показать ее генетическую связь со всей историей развития научного знания, начиная с древнегреческой эпохи. Только поэтапно отследив смену картин реальности – от Демокрита через Ньютона, Максвелла, Эйнштейна и до квантовой физики – можно понять, что странная модель, предлагаемая петлевой квантовой гравитацией, в определенном смысле является естественным возвратом к истокам этой линии развития.

Демокрит постулировал дискретность материи, но впоследствии эта идея была отброшена, и в натурфилософии господствовало представление о непрерывности и бесконечной делимости всего, из чего состоит мир. Обратное движение началось с химии, где были обнаружены атомы, затем дискретность материи нашла выражение в квантовой механике. Но и в ней, и в теории относительности пространство и время остаются бесконечно делимыми. Именно это Карло Ровелли считает одним из главных препятствий на пути к объединению теории гравитации и квантовой механики. Отказ от непрерывного пространства-времени избавляет от сингулярностей в теории относительности и расходимостей в квантовой теории и, вероятно, от противоречий между двумя теориями.

С петлевой гравитацией тесно связана реляционная интерпретация квантовой механики – еще одна важная идея Карло Ровелли. Суть ее состоит в том, что физический смысл имеют не сами по себе частицы, а только отношения (взаимодействия) между ними. Иными словами, физические объекты и системы существуют не сами по себе, а лишь относительно других объектов и систем. В каком-то смысле можно сказать, что реляционная интерпретация до предела обобщает принцип относительности.

Многие физики считают вопрос об интерпретации квантовой механики не столько научным, сколько философским, ведь на результатах вычислений интерпретация не сказывается. Однако научная роль интерпретации в том, что она согласует квантовомеханическую картину мира с интуицией человека. Это значительно повышает эвристичность теории, то есть ее потенциал в деле поиска новых явлений и объяснений – в частности, квантовой теории гравитации.

Впрочем, и чисто философские вопросы отнюдь не чужды Ровелли. Как глубоко европейский человек он с энтузиазмом демонстрирует неожиданные параллели между современными научными теориями и художественными образами, заключенными, например, в «Божественной комедии» Данте. С некоторой гордостью приводит он и ссылки на работы современных философов, которые с позиций своей дисциплины анализируют его реляционную интерпретацию.

И это не все. Реляционный подход позволяет Ровелли сделать глубокие суждения о понятии информации, которое в последнее время играет все большую роль в физике. В частности, оказывается, что именно через него рождается привычное нам время, которого, согласно петлевой квантовой гравитации, нет в спиновой пене, лежащей в основе реальности.

Хотя квантовая гравитация – в высшей степени математизированная теория, рассказ о ней в книге ведется без формул (пара исключений сделана по чисто эстетическим мотивам). Вкупе с многочисленными историко-культурными отступлениями это делает стиль изложения обманчиво легким. Но это не повод расслабляться. В английском издании книга не случайно называется «Reality is not what it seems» – «Реальность – не то, чем она кажется». Для понимания идей, стоящих за поисками квантовой гравитации, надо быть готовым к перепрошивке своих глубинных представлений о природе реальности.

И еще один парадокс науки – ее многослойность. Порой одно и то же простое утверждение на разных уровнях рассмотрения может превращаться из верного в ошибочное и наоборот. С этим не раз приходилось сталкиваться разработчикам тестовых заданий в рамках просветительского проекта «Открытая лабораторная», при участии которого подготовлен перевод книги Карло Ровелли. Порой хрестоматийные научные факты оказываются сомнительными или вовсе ложными с учетом всей глубины современного знания. Книга Ровелли содержит немало иллюстраций этого парадокса и наверняка послужит мотивом для новых тестов и публикаций http://laba.media – проекта для тех, кто любит науку, но в школе сидел на задней парте.

От автора

На протяжении всей моей научной карьеры друзья и просто любопытствующие просили меня объяснить, что происходит в области исследований квантовой гравитации. Как удается находить новые способы осмыслить пространство и время? Меня не раз просили рассказать об этих исследованиях в доступной форме. В то время как существует множество книг, посвященных космологии и теории струн, книги, где описывались бы исследования по квантовой природе пространства и времени, а также по петлевой квантовой гравитации, практически невозможно найти. Я долго колебался, поскольку хотел сосредоточиться на исследованиях. Несколько лет назад, завершив монографию по этой теме, я почувствовал, что коллективная работа многих ученых довела эту область исследований до той стадии зрелости, когда стало возможным написать научно-популярную книгу. Ландшафт, который мы исследуем, восхитителен – стоит ли продолжать скрывать его от других людей?

Но я продолжал откладывать проект, поскольку не мог «увидеть» книгу в своей голове. Как описать мир без пространства и времени? В 2012 году, сидя в одиночестве за рулем на ночной дороге из Италии во Францию, я вдруг понял, что единственный способ доходчиво объяснить постоянную модификацию понятий пространства и времени состоит в том, чтобы рассказать всю историю с самого начала: от идей Демокрита и до представления о квантах пространства. В конце концов, именно так я сам понимаю эту историю. Я стал мысленно набрасывать структуру книги прямо за рулем, приходя во все большее возбуждение, пока не услышал полицейскую сирену и требование остановиться – я намного превысил разрешенную скорость. Итальянский полицейский вежливо спросил меня, не сошел ли я с ума – ехать с такой скоростью. Я ответил, что только что нашел идею, которую так долго искал; он не стал выписывать мне штраф и пожелал удачи с новой книгой. Эта книга перед вами.

Первоначально книга была написана на итальянском и впервые опубликована в 2014 году. Вскоре после этого я подготовил несколько статей о фундаментальной физике для одной итальянской газеты. Знаменитый итальянский издатель Адельфи заказал мне расширенную версию этих статей, которая вышла в виде брошюры. Так появилась небольшая книга «Семь коротких лекций по физике», которая, к моему огромному удивлению, стала международным бестселлером и стала поводом для общения со многими замечательными читателями по всему миру. Таким образом, «Семь лекций» были написаны после этой книги и в какой-то мере стали синтезом некоторых вопросов, которые затрагиваются здесь. Если вы уже читали «Семь коротких лекций по физике» и хотите узнать больше, чтобы еще глубже погрузиться в странный мир, описанный в той книге, то здесь вы найдете необходимые подробности.

Несмотря на то что традиционная физика представлена в этой книге с довольно необычной точки зрения, в целом это не вызывает споров. Однако та часть книги, которая касается современных исследований по квантовой гравитации, отражает мое личное понимание состояния изученности этой темы. Эта область знания находится на границе между тем, что мы понимаем, и тем, чего еще не понимаем, поэтому нам еще очень далеко до достижения консенсуса по основным связанным с ней вопросам. Некоторые из моих коллег-физиков согласятся с тем, что я написал в этой книге, другие – не согласятся. Это обычная ситуация для актуальных исследований, ведущихся на границах нашего знания, но я предпочитаю говорить об этом ясно и открыто. Эта книга не о том, в чем мы уверены; эта книга – о приключениях на пути к непознанному.

В целом она о путешествии, посвященная одному из самых впечатляющих приключений, выпавших на долю человечества: путешествию за пределы парохиальных взглядов на реальность ко все более глубокому пониманию строения вещей. И это невероятное путешествие за пределы обыденной картины мира еще далеко не закончено.

Марсель,

4 мая 2016 года

Предисловие. Прогулка вдоль берега

Мы зациклены на себе. Мы изучаем свою историю, свою психологию, свою философию, своих богов. Большая часть нашего знания обращается вокруг самого человека, как если бы он был самым важным объектом во Вселенной. Я думаю, что физика нравится мне потому, что приоткрывает завесу, за которой можно увидеть нечто большее. Она дает мне чувство свежего воздуха, задувающего в окно.

То, что мы видим через это окно, постоянно нас удивляет. Мы уже многое знаем о Вселенной. За прошедшие столетия мы стали понимать, как много ошибочных идей было у человечества. Мы думали, что Земля плоская и что она покоится в центре нашего мира, что Вселенная маленькая и неизменная, что человек был создан отдельно, безо всякого родства с другими животными. Но постепенно мы узнали о существовании кварков, черных дыр, частиц света, волн пространства и невероятных молекулярных структур в каждой клетке нашего тела. Человечество похоже на подрастающего ребенка, который с удивлением обнаруживает, что мир не ограничивается его спальней и детской площадкой, что он огромен и в нем есть тысячи явлений, ждущих открытия, а также бесчисленные идеи, разительно отличающиеся от тех, что были у него вначале. Вселенная многообразна и безгранична, и мы продолжаем ошибаться, сталкиваясь с ее новыми аспектами. Чем больше мы узнаём о мире, тем больше поражаемся его разнообразию, красоте и простоте.

Но чем больше мы узнаем, тем лучше понимаем, что непознанное во много раз больше всего того, что мы уже знаем. Чем мощнее становятся наши телескопы, тем более странными и неожиданными предстают перед нами небеса. Чем пристальнее мы всматриваемся в мельчайшие элементы материи, тем больше глубин открывается нам в ее строении. Сегодня мы проникли в историю Вселенной почти до самого Большого взрыва – великого катаклизма, в котором 14 миллиардов лет назад были рождены все галактики, – но мы уже начали замечать нечто большее, чем Большой взрыв. Мы знаем, что пространство искривлено, и уже предвидим, что это пространство сплетено из вибрирующих квантовых волокон.

Наше знание элементарной грамматики Вселенной продолжает расширяться. Если попробовать объединить все, что мы узнали о физическом мире в XX веке, то начнет складываться картина, глубоко отличающаяся от того, чему нас учили в школе. Фундаментальная структура нашего мира возникает как порождение множества квантовых событий в отсутствие времени и пространства. Квантовые поля генерируют пространство, время, материю и свет, вызывая обмен информацией между событиями. Реальность – это сеть отдельных событий; динамика, которая их соединяет, – вероятностна; между отдельными событиями пространство, время, материя и энергия превращаются в облако вероятностей.

Этот странный новый мир медленно открывается перед нами благодаря исследованиям главной темы фундаментальной физики – квантовой гравитации. Задача этих исследований – целостно объединить то, что мы узнали о мире из двух величайших открытий физики XX века – общей теории относительности и квантовой теории. Квантовая гравитация – странный мир, который раскрывается в ходе этих исследований, – и есть основная тема этой книги.

Эта книга – живое описание ведущихся исследований: того, что мы изучаем, того, что уже знаем, и того, что, как нам кажется, мы начинаем понимать о фундаментальной природе вещей. Мы начнем издалека, с происхождения некоторых ключевых идей, служащих для упорядочения современного понимания мира, и с описания двух великих открытий XX века – эйнштейновской теории относительности и квантовой механики, и постараемся сфокусироваться на их основном физическом содержании. Мы расскажем о той картине мира, которая рождается сегодня в исследованиях по квантовой гравитации, с учетом последних данных, предоставленных нам Природой, таких как подтверждение стандартной космологической модели, полученное с помощью спутника «Планк», и неудачных попыток пронаблюдать суперсимметричные частицы, зарегистрировать которые многие надеялись в ЦЕРНе. Затем мы поговорим о следствиях из этих идей – дискретной структуре пространства, исчезновении времени в малых масштабах, физике Большого взрыва, происхождении излучения черных дыр и, в конечном счете, о роли информации в основаниях физики.

В знаменитой притче, рассказанной Платоном в седьмой книге «Государства», узники, прикованные в глубине темной пещеры, видят только тени, отбрасываемые на стену горящим позади них огнем. Они думают, что это и есть реальность. Один из них освобождается, выходит из пещеры и открывает для себя свет солнца и огромный мир. В первый момент свет, к которому его глаза непривычны, ошеломляет его и приводит в замешательство. Но в конце концов он оказывается способен видеть и в волнении возвращается к своим товарищам, чтобы рассказать им о том, что ему открылось. Но они отказываются ему верить.

Мы все находимся в глубине пещеры, скованные нашим незнанием и нашими предубеждениями, а наши слабые глаза дают нам увидеть только тени. Пытаясь заглянуть дальше, мы приходим в замешательство – для нас слишком необычно то, что открывается перед нами. Но мы пытаемся идти дальше. Это и есть наука. Научное мышление исследует и пересматривает картину мира, постепенно предлагая нам все более совершенное видение и более эффективные мыслительные ходы. Наука – это непрерывное исследование способов мышления. Ее сила состоит в способности эффективно разрушать предубеждения, открывать новые области реальности и строить неожиданные, более совершенные представления о мире. Это деятельность, которая опирается на всю совокупность прошлого знания, но суть ее состоит в изменениях. Наш мир безграничен и многоцветен; мы хотим рассмотреть его как можно лучше. Неполнота и ненадежность нашего знания, неуверенность, порождаемая необозримостью бездны непознанного, вовсе не делают жизнь бессмысленной – они делают ее интересной и драгоценной.

Я написал эту книгу, чтобы рассказать о том, что восхищает меня в этом приключении. Своего читателя я представлял человеком, который мало или даже ничего не знает о современной физике, но ему интересно все, что мы уже знаем и чего еще не знаем о фундаментальной природе нашего мира, а также то, каким образом мы ведем свои поиски. Я хотел поделиться захватывающей красотой той панорамы реальности, которая открывается перед нами в результате этих поисков.

Я писал эту книгу и для своих коллег, своих спутников, разбросанных по всему миру, а также для юношей и девушек, восхищенных наукой и планирующих впервые присоединиться к этому путешествию. Я хотел представить им общую картину и строение физического мира, каким он видится в двойном свете релятивизма и квантовой физики, и показать, как их можно объединить. Эта книга не только раскрывает тайны Вселенной, но также обозначает определенную точку зрения в области исследований, где абстракции и технические детали иногда становятся помехой для широкого взгляда. Наука состоит из экспериментов, гипотез, уравнений, вычислений и продолжительных дискуссий; но это лишь средства достижения цели, подобно инструментам для музыкантов. В конечном счете, для музыки важна сама музыка, а для науки важно понимание мира, которое она обеспечивает. Чтобы понять значимость открытия того, что Земля обращается вокруг Солнца, не обязательно следовать за сложными вычислениями Коперника; для понимания важности открытия того, что все живые существа на нашей планете имеют общих предков, необязательно прослеживать сложную аргументацию книг Дарвина. Суть науки состоит в понимании нашего мира со всё более широкой точки зрения.

Эта книга отражает мое текущее понимание того, в каком состоянии находятся сейчас наши поиски новой картины мира. Именно так я ответил бы коллеге и другу, который, прогуливаясь долгим летним вечером по берегу моря, задал бы мне вопрос: «Так что же ты думаешь об истинной природе вещей?»

Часть I

Корни

Сюжет этой книги начинается 26 столетий назад в Милете. Почему разговор о квантовой гравитации отталкивается от столь древних событий, людей и идей? Я надеюсь, что читатель, горящий желанием достичь понимания квантов пространства, не будет иметь ничего против. Идеи проще понять, начиная с тех корней, из которых они выросли, а значительное число идей, которые помогли нам в деле постижения нашего мира, возникли более двух тысяч лет назад. Эти идеи станут намного понятнее, если мы проследим за их рождением; в этом случае все дальнейшие шаги окажутся проще и естественнее.

Но есть еще один важный момент. Некоторые проблемы, впервые поставленные в Античную эпоху, продолжают оставаться ключевыми для нашего понимания мира. Некоторые из самых современных идей о структуре пространства используют представления и подходы, впервые появившиеся в то время. Говоря о тех далеких идеях, я имею в виду вопросы, которые станут ключевыми для квантовой гравитации. Кроме того, это поможет нам, обсуждая квантовую гравитацию, отличать идеи, восходящие к самым истокам научной мысли, даже если мы с ними не знакомы, от идей совершенно новых. Связь между проблемами, поставленными древними учеными, и решениями, которые найдены Эйнштейном и в теориях квантовой гравитации, как мы увидим, на удивление тесна.

1

Крупицы

Согласно преданию, в 450 году до нашей эры на корабль, идущий из Милета в Абдеру, сел человек. Его путешествие сыграло решающую роль в истории познания.

Этот человек, вероятно, бежал от политических беспорядков в Милете, где аристократия совершила насильственный переворот. Милет был благополучным и процветающим греческим городом, возможно, самым главным городом греческого мира до наступления золотого века Афин и Спарты. Он был важнейшим торговым центром в сети, объединявшей почти сотню колоний и торговых форпостов от Черного моря до Египта. В Милет приходили караваны из Месопотамии и корабли со всего Средиземноморья, что способствовало обмену идеями.

В течение предшествующего столетия в Милете произошла революция в мышлении, имевшая фундаментальное значение для всего человечества. Группа философов пересмотрела способ постановки вопросов о мире и формулирования ответов на них. Величайшим из этих мыслителей был Анаксимандр.

Рис. 1.1. Путешествие Левкиппа Милетского, основателя атомистической школы (около 450 года до нашей эры)

С незапамятных времен или, по крайней мере, с тех пор как человечество стало создавать дошедшие до нас письменные тексты, люди задавались вопросом о том, как появился мир, из чего он состоит, как управляется и каковы причины природных явлений. Тысячелетиями люди сами себе отвечали на эти вопросы весьма сходным образом: рассказывая изощренные истории о духах, божествах, воображаемых и мифологических существах и других подобных сущностях. От клинописных табличек до древнекитайских текстов, от иероглифических надписей в пирамидах до легенд индейцев сиу, от большинства древнеиндийских манускриптов до Библии, от африканских сказаний до мифов аборигенов Австралии – все это было пестрым, но, по сути своей, очень однородным потоком рассказов о пернатых змеях и небесных коровах, о вспыльчивых, соперничающих или дружелюбных божествах, создающих мир, произнося над безднами: «Да будет свет!», о спонтанном рождении мира из каменного яйца и т. п.

Тогда в Милете, в начале пятого столетия до нашей эры Фалес, его ученик Анаксимандр, Гекатей и их последователи обнаружили иной способ поиска ответов. Это была грандиозная революция в мышлении, которая дала начало новому формату знания и постижения мира, ознаменовав собой зарю научной мысли.

Милетцы понимали, что, в отличие от поиска ответов в своей фантазии, древних мифах и религии, искусное использование наблюдения и рассуждения, а главное, применение критического мышления при выборе вариантов может последовательно уточнять наше мировоззрение и открывать новые аспекты реальности, скрытые от обыденного здравого смысла. Это в принципе способ открывать что-то новое.

Возможно, самым важным открытием стал иной стиль мышления, при котором ученик больше не обязан признавать и разделять идеи своего учителя, но имеет право отталкиваться от этих идей, не боясь отбрасывать или критиковать те части, которые можно усовершенствовать. Это был совершенно новый срединный путь, идущий между безоговорочной верностью школе и полным отказом от ее идей. Он стал ключом к последующему развитию философского и научного мышления: отныне и впредь знание начинает прирастать головокружительными темпами, питаемое как старыми идеями, так и возможностью их критики, позволявшей усовершенствовать прежнее знание и понимание. Вступительные слова книги Гекатея об истории поразительным образом схватывают самую суть критического мышления, включая ясное понимание нашей склонности к ошибкам: «Я пишу этот так, как мне представляется истинным, ибо рассказы эллинов многоразличны и смехотворны, как мне кажется»[1].

По легенде, Геракл спустился в царство Аида с мыса Тенарон. Гераклит посетил мыс Тенарон и выяснил, что в действительности здесь нет никакого подземного прохода или иного доступа в царство Аида, и заключил отсюда, что легенда была ложной. Это заключение и отмечает зарю новой эры.

Новый подход к познанию работает быстро и впечатляюще. Всего за несколько лет Анаксимандр приходит к пониманию того, что Земля плавает в небесах, которые продолжаются под Землей; что дождь появляется за счет испарения воды с земли; что существует возможность объяснить всё разнообразие веществ в мире, сведя их к единой неделимой простой составляющей, которую он называет апейроном, неопределенным; что животные и растения эволюционируют и адаптируются к изменениям окружающей среды, а человек развился путем эволюции других животных. Так постепенно были заложены основы того понимания мира, которые в основном сохраняются по сей день.

Расположенный на границе зарождающейся греческой цивилизации с древними империями Месопотамии и Египта, питаемый их знаниями, но погруженный в типично греческую атмосферу свободы и политической гибкости, лишенный имперских дворцов и могущественных жреческих каст, населенный гражданами, имевшими возможность обсуждать свою судьбу на открытых агорах, Милет был местом, где люди впервые сами принимали свои законы; здесь стал собираться первый в истории парламент – в Панионии[2] встречались делегаты Ионийского союза, – и именно здесь люди впервые усомнились, что лишь боги способны разобраться в загадках нашего мира. Посредством дискуссии можно найти лучшее для сообщества решение; посредством дискуссии можно достичь понимания мира. Это важнейшее наследие Милета, колыбели философии, естественных наук, географических и исторических исследований. Не будет преувеличением сказать, что вся научная и философская традиция – средиземноморская, а затем и современная – уходит корнями в рассуждения милетских мыслителей VI века до нашей эры[3].

Это милетское просвещение вскоре ждал катастрофический финал. Появление Персидской империи и провал антиимперского восстания привели к безжалостному разрушению города в 494 году до нашей эры и обращению в рабство большого числа его жителей. В Афинах поэт Фриних написал трагедию «Падение Милета», которая произвела столь глубокое впечатление на афинян, что ее повторные постановки были запрещены, поскольку она причиняла чрезмерные страдания зрителям. Однако двадцать лет спустя греки отразили персидскую угрозу; Милет был восстановлен, вновь заселен и вернул себе роль центра торговли и знаний, вновь начав распространять свой просветительский дух.

Человек, упомянутый нами в начале главы, вероятно, был движим этим духом, когда, по преданию, в 450 году взошел на борт корабля, идущего из Милета в Абдеру. Его звали Левкипп. О его жизни известно мало[4]. Он написал книгу под названием «Великий диакосмос»[5]. Прибыв в Абдеру, он основал научную и философскую школу, к которой вскоре присоединился молодой ученик Демокрит, идейное влияние которого простирается на все последующие времена.

Вместе эти два мыслителя построили величественное здание античного атомизма. Левкипп был учителем. Демокрит – великим учеником, написавшим десятки книг по всем областям знания. Его глубоко уважали в древности, когда большинство людей были знакомы с его трудами. «Отличавшийся среди всех древних острым умом», – писал о нем Сенека[6]. «Кого могли бы мы сравнить с ним не только по величию таланта, но и по величию духа?» – спрашивал Цицерон[7].

Рис. 1.2. Демокрит из Абдеры

Что же такого открыли Левкипп и Демокрит? Милетцы понимали, что мир можно познать посредством разума. Они пришли к убеждению, что различные естественные феномены должны сводиться к чему-то простому, и пытались понять, что это может быть. Они считали, что существует своего рода элементарная субстанция, из которой состоит все остальное. Милетец Анаксимен представлял, что эта субстанция может сжиматься и разрежаться, превращаясь тем самым в разные элементы, из которых состоит мир. Это был первый росток физики, очень грубый и примитивный, но растущий в правильном направлении. Чтобы постичь скрытый порядок мира, требовалась идея, великая идея, грандиозное прозрение. Левкипп и Демокрит нашли эту идею.

Идея системы Демокрита предельно проста: вся Вселенная состоит из безграничного пространства, в котором движутся бесчисленные атомы. Пространство не имеет пределов; в нем нет ни верха, ни низа; у него нет ни центра, ни границы. Атомы не имеют никаких свойств, кроме формы. У них нет веса, цвета, вкуса. «Лишь в общем мнении существует сладкое, в мнении – горькое и в мнении – теплое, в мнении – холодное, в мнении – цвет, в действительности же существуют атомы и пустота»[8].

Атомы неделимы; это элементарные крупицы реальности, которые невозможно разделить на части, и все остальное состоит из них. Они свободно движутся в пространстве, сталкиваются друг с другом; они цепляют, тянут и толкают друг друга. Подобные атомы притягиваются друг к другу и соединяются.

Это – ткань мира. Это – реальность. Все остальное – не что иное, как произвольный, случайный, побочный результат движения и соединения атомов. Бесконечное многообразие субстанций, составляющих мир, возникает исключительно в результате соединения этих атомов.

Когда атомы соединяются, единственное, что имеет значение, единственное, что существует на фундаментальном уровне, – это их форма, их взаиморасположение и порядок, в котором они соединяются. Точно так же, как соединяя разными способами буквы алфавита, мы можем создать комедии и трагедии, глупые истории и эпические поэмы, элементарные атомы соединяются, порождая мир во всем его разнообразии. Эта метафора принадлежит самому Демокриту[9].

У бесконечного танца атомов нет ни конца, ни цели. Мы сами, как и весь естественный мир, – один из множества результатов этого вечного танца. Результат, который является лишь случайной комбинацией. Природа продолжает экспериментировать с формами и структурами, и мы, подобно животным, – продукт отбора, произвольного и случайного, идущего на протяжении эонов. Наша жизнь – это комбинация атомов, наши мысли состоят из крошечных атомов, наши сны – порождения атомов; наши надежды и эмоции записаны на языке, образованном комбинациями атомов; свет, который мы видим, состоит из атомов, которые доносят до нас образы. Из атомов состоят моря, наши города, звезды над нами. Это – всеобъемлющая картина; безграничная, невероятно простая, невероятно мощная, та, на которой в дальнейшем может строиться все знание цивилизации.

Основываясь на этой картине, Демокрит написал десятки книг, в которых детально излагал обширную систему, позволяющую работать с вопросами физики, философии, этики, политики и космологии. Он пишет о природе языка, о религии, о происхождении человеческих обществ и о многом другом. (Весьма претенциозными словами: «Говоря следующее обо всем»[10] – начинает Демокрит свою книгу «Малый диакосмос»[11].) Все эти книги были утрачены. Мы знаем об идеях Демокрита только по цитатам и ссылкам у других древних авторов, а также по их кратким пересказам его идей[12]. Из этих источников возникает представление о Демокрите как о ярком гуманисте, рационалисте и материалисте.[13] В нем сочетается острое внимание к природе, подчеркнутое естественнонаучной ясностью мышления при рассмотрении каждой из существующих систем мифологических идей, и глубокая этичность жизненных установок, предвосхищающая за две тысячи лет лучшие проявления эпохи Просвещения. Этический идеал Демокрита – это безмятежный ум, достигший сдержанности и равновесия за счет доверия разуму и не позволяющий страстям сбивать себя с толку.

Платон и Аристотель были знакомы с идеями Демокрита и боролись с ними. Они придерживались иных идей, которые впоследствии стали препятствием для развития знания на многие столетия. Оба они настаивали на отказе от демокритовских натуралистических суждений в пользу попыток понять мир с телеологических позиций (веры в то, что всё происходящее имеет цель; этот способ мышления, как оказалось, ведет к глубоким заблуждением в понимании природы) или через понятия добра и зла, что вызвало смешение гуманитарных вопросов с проблемами, которые не имеют к ним отношения.

Аристотель подробно и с уважением говорит об идеях Демокрита. Платон никогда не цитирует Демокрита, но современные исследователи предполагают, что это было намеренное решение, а не недостаток знаний о его трудах. Неявная критика идей Демокрита содержится в нескольких работах Платона, например в его критике «физиков». Так, в диалоге «Федон» устами Сократа Платон бросает «физикам» отчетливый упрек, имевший далеко идущие последствия. Он недоволен, когда «физики» говорят о круглой форме Земли, и протестует, поскольку хочет знать, что «хорошего» в том, что Земля круглая, какая польза для нее от круглой формы. Платоновский Сократ припоминает, что был вначале в большом восторге от физики, но потом разочаровался в ней.

Я <…> думал, что нашел <…> учителя, который <…> расскажет, плоская ли Земля или круглая, а рассказавши, объяснит необходимую причину – сошлется на самое лучшее, утверждая, что Земле лучше всего быть именно такой, а не какой-нибудь еще. И если он скажет, что Земля находится в центре [мира], объяснит, почему ей лучше быть в центре[14].

Как же глубоко заблуждается здесь великий Платон!

Существует ли предел делимости?

Величайший физик второй половины XX века Ричард Фейнман писал в начале своего великолепного вводного курса лекций по физике:

Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе, как вы убедитесь, содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения[15].

Не располагая знаниями современной физики, Демокрит тем не менее пришел к мысли, что всё состоит из неделимых частиц. Как ему это удалось?

Он использовал аргументы, основанные на наблюдении; например, он совершенно верно предполагал, что износ колеса и высыхание белья на веревке могут происходить из-за медленного улетучивания частиц соответственно дерева и воды. Кроме того, у него были аргументы философского плана. Сконцентрируемся на них, поскольку их сила простирается вплоть до квантовой гравитации.

Демокрит заметил, что вещество не может быть непрерывным целым, поскольку такое допущение приводит к противоречию. Мы знаем о рассуждениях Демокрита, поскольку их описывает Аристотель[16]. Представим, говорит Демокрит, что вещество бесконечно делимо, то есть его можно разделять на части до бесконечности. Что останется в результате?

Могут ли это быть крошечные частицы, имеющие протяженность? Нет, поскольку в этом случае такие частицы материи не были бы делимыми до бесконечности. Поэтому остаются только точки без протяженности. Но теперь попробуем составить кусок материи из таких точек: сложив вместе две точки без протяженности, вы не получите протяженную вещь, так же как и из трех точек и даже из четырех. На самом деле, сколько бы точек вы ни сложили вместе, вы никогда не получите протяженности, поскольку у точек ее нет. Поэтому материю нельзя представлять состоящей из точек, лишенных протяженности, потому что независимо от того, сколько точек мы объединим, мы никогда не сможем получить нечто, имеющее пространственную протяженность. Единственная возможность, заключает Демокрит, состоит в том, что любая часть вещества состоит из конечного числа дискретных неделимых порций, каждая из которых имеет конечные размеры, – атомов.

Это весьма тонкое рассуждение появилось еще до Демокрита. Его родина – область Чиленто в Южной Италии, где сейчас находится город Велия, а в V веке до нашей эры была процветающая греческая колония Элея. Здесь жил Парменид, философ, который буквально – в чем-то даже излишне – воспринял рационализм Милета и возникшую там идею о том, что разум способен показать нам, насколько вещи отличаются от того, чем они кажутся. Парменид пытался искать истину посредством одного только чистого разума, и этот путь привел его к утверждению, что всё видимое иллюзорно; это способствовало открытию нового направления мысли, которое со временем все более склонялось к метафизике, отдаляясь от того, что впоследствии стало естественными науками. Ученик Парменида Зенон, также родом из Элеи, стал автором изощренных аргументов в поддержку этого фундаменталистского рационализма, категорически отвергающего достоверность внешних проявлений. Среди этих рассуждений был набор парадоксов, известных как апории Зенона; они направлены на то, чтобы показать иллюзорность всего видимого, доказывая, что обыденное представление о движении абсурдно[17].

Самый знаменитый из парадоксов Зенона излагается в виде короткой басни. Черепаха вызвала Ахиллеса на состязание в беге с условием десятиметровой форы для себя. Сможет ли Ахиллес догнать черепаху? Зенон доказывает, что, согласно строгой логике, это ему никогда не удастся. Ведь прежде чем догнать черепаху, Ахиллес должен будет преодолеть 10 метров, и чтобы сделать это, ему понадобится некоторое время. За это время черепаха продвинется на несколько сантиметров. Чтобы преодолеть эти сантиметры, Ахиллесу потребуется еще немного времени, за которое черепаха продвинется еще чуть дальше, и так до бесконечности. Ахиллесу, таким образом, потребуется бесконечное число подобных шагов, чтобы догнать черепаху, а бесконечное число шагов, рассуждает Зенон, это бесконечное количество времени. Следовательно, согласно строгой логике, Ахиллесу потребуется бесконечное количество времени, чтобы догнать черепаху; иначе говоря, он никогда ее не догонит. Но поскольку мы видим, что проворный Ахиллес догоняет и обгоняет столько черепах, сколько захочет, мы приходим к заключению, что видимое нами иррационально и потому иллюзорно.

Честно говоря, всё это звучит не слишком убедительно. Но где же допущена ошибка? Один из возможных ответов состоит в том, что Зенон ошибался, полагая, что сложение бесконечного числа вещей приводит к бесконечной вещи. Представьте, что вы взяли кусок струны, разрезали его пополам, затем еще раз пополам и так до бесконечности. В конце вы получите бесконечное число крошечных кусочков струны; их сумма, однако, будет конечной, поскольку из них можно сложить лишь кусок струны исходного размера. Получается, что из бесконечного числа струн может получиться конечная струна; бесконечное число всё более коротких отрезков времени может складываться в конечное время, и герою, хотя и придется преодолеть бесконечное число постоянно уменьшающихся дистанций, удастся сделать это за конечное время и в итоге догнать черепаху.

Кажется, парадокс разрешен. Решение состоит в идее континуума: могут существовать сколь угодно малые отрезки времени, а их бесконечное число может складываться в конечный отрезок времени. Аристотель первым интуитивно понял эту возможность, которая в дальнейшем исследовалась древними и современными математиками[18].

Но является ли данное решение корректным для реального мира? Существуют ли на самом деле сколь угодно короткие отрезки струн? Действительно ли можно разделить отрезок струны на произвольное число частей? Существуют ли бесконечно малые отрезки времени? Это как раз те вопросы, с которыми сталкивается квантовая теория гравитации.

По преданию, Зенон встречался с Левкиппом и стал его учителем. Левкипп, таким образом, был знаком с парадоксами Зенона. Но он изобрел другой способ их разрешения. Левкипп предположил, что произвольно малых вещей не существует: у всего есть нижний предел делимости.

Вселенная зернистая, а не непрерывная. Как показано в описанном Аристотелем демокритовском рассуждении, из бесконечно малых точек было бы невозможно построить нечто протяженное. Так что протяженность струны должна образовываться конечным числом конечных объектов с конечными размерами. Струну нельзя разрезать сколько угодно раз; материя не является непрерывной, а состоит из отдельных «атомов» конечного размера.

Корректен этот абстрактный аргумент или нет, но, как мы знаем сегодня, он содержит большую долю истины. Материя действительно имеет атомарную структуру. Если я разделю каплю воды пополам, то получу две капли воды. Я могу вновь разделить каждую из этих капель пополам и так далее. Но я не могу продолжать делать это до бесконечности. В некоторый момент у меня останется лишь одна молекула, и я буду вынужден остановиться. Не существует капель воды, которые меньше одной молекулы воды.

Откуда мы знаем об этом сегодня? Подтверждения копились столетиями, большая часть из них пришла из химии. Химические соединения содержат сочетания нескольких элементов, взятых в пропорциях, задаваемых целыми числами. Химики стали думать о веществах как о состоящих из молекул, представляющих собой фиксированные сочетания атомов. Например, вода – H_2O – состоит из двух частей водорода и одной части кислорода.

Но эти наблюдения были лишь подсказками. Еще в начале прошлого века многие ученые и философы не считали реалистичной атомную гипотезу. Среди них был знаменитый физик и философ Эрнст Мах, чьи представления о пространстве могли сильно повлиять на Эйнштейна. В конце лекции Людвига Больцмана в Имперской академии наук в Вене Мах громко объявил: «Я не верю в существование атомов!» Это было в 1897 году. Многие, подобно Маху, воспринимали химические обозначения лишь как удобный способ краткого описания законов химических реакций, а не как свидетельство реального существования молекул воды, состоящих из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Вы же не можете увидеть атомы, говорили они, их никогда нельзя будет увидеть. А раз так, спрашивали они, какого размера могут быть атомы? Демокрит так и не смог оценить размеры своих атомов…

Но это смог сделать кое-кто другой. Убедительного доказательства «атомной гипотезы» не было вплоть до 1905 года. Оно было найдено двадцатипятилетним молодым человеком с бунтарскими образом мысли, который изучал физику, но не смог найти работы как ученый и в конце концов нанялся в бернское патентное бюро. Я буду еще много рассказывать об этом молодом человеке и о трех статьях, которые он отправил в самый престижный физический журнал того времени – Annalen der Physik. Первая из этих статей содержала убедительное доказательство существования атомов и расчет их размеров, что решало проблему, поставленную Левкиппом и Демокритом за 23 века до этого.

Звали этого двадцатипятилетнего автора, конечно же, Альберт Эйнштейн.

Рис. 1.3. Альберт Эйнштейн

Как ему это удалось? Идея была на удивление простой. Ее мог бы найти любой, начиная с Демокрита, обладай он эйнштейновской проницательностью и необходимым знанием математики, позволяющим выполнить не самые простые вычисления. Вкратце суть идеи заключалась в следующем: если мы очень внимательно наблюдаем за мелкими объектами вроде пылинок или частиц пыльцы, которые окружены неподвижным воздухом или жидкостью, мы заметим, что они подрагивают, как бы пританцовывая. В результате они движутся случайными зигзагами и медленно перемещаются, постепенно удаляясь от стартовой точки. Такое перемещение частиц в жидкости называется броуновским движением в честь Роберта Брауна, биолога, который подробно описал его в XIX веке. Типичная траектория такой танцующей частицы изображена на рис. 1.4. Она выглядит так, будто крошечная частица получает случайные толчки с разных сторон. На самом деле она не «будто», а в действительности получает толчки. Она дрожит, поскольку сталкивается с отдельными молекулами воздуха, которые налетают на нее то справа, то слева.

Рис. 1.4. Типичное броуновское движение

Ключевая мысль состоит в следующем. Число молекул в воздухе колоссально. В среднем частица получает столько же толчков слева, сколько и справа. Если бы молекулы воздуха были бесконечно малыми и бесконечно многочисленными, воздействия толчков справа и слева уравновешивались бы и в каждый момент взаимно компенсировали друг друга, в результате чего частица не двигалась бы. Но конечность размеров молекул – тот факт, что имеется лишь конечное, а не бесконечное их число – приводит к возникновению флуктуаций (это ключевое слово). Иначе говоря, столкновения никогда не уравновешиваются точно, они сбалансированы лишь в среднем. Представьте на мгновение, что молекул очень немного и они велики по размеру: очевидно, пылинка будет получать толчки лишь изредка, сначала справа, потом слева… Между столкновениями она будет значительно смещаться в ту или другую сторону, подобно мячу, по которому бьют мальчишки, играющие в футбол. С другой стороны, чем меньше молекулы, тем короче становятся интервалы между столкновениями и тем лучше уравновешиваются толчки с разных сторон. А смещения пылинки становятся менее значительными.

Оказывается, проделав кое-какие математические выкладки, можно по величине наблюдаемых движений частицы определить размеры молекул. Как я уже упоминал, Эйнштейн сделал это в возрасте 25 лет. Из наблюдений за движением частиц пыльцы в жидкости и по расстояниям, на которые им удавалось переместиться от своей исходной позиции, он определил размеры демокритовских атомов – элементарных кирпичиков, из которых состоит вещество. Спустя 2300 лет он нашел доказательство гениальной идеи Демокрита: материя зерниста.

Природа вещей

Также людьми позабыт возвышенный будет Лукреций,

Только когда и сама сгинет однажды Земля.

Овидий[19]

Я часто думаю, что утрата работ Демокрита во всей их полноте – это величайшая интеллектуальная трагедия, вызванная гибелью древней классической цивилизации. Взгляните на список его трудов, приводимый в сноске[20]. Трудно не прийти в уныние, осознавая, что нами потеряна огромная часть древних научных представлений.

До нас дошли все труды Аристотеля, следуя которому восстанавливалась западная мысль, но ничего из Демокрита. Возможно, если бы сохранилось всё написанное Демокритом и ничего из трудов Аристотеля, интеллектуальная история нашей цивилизации сложилась бы благоприятнее…

Однако столетия доминирования монотеизма не оставили возможности для выживания демокритовского натурализма. Свертывание античных школ вроде тех, что процветали в Афинах и Александрии, а также уничтожение всех текстов, не согласующихся с христианскими идеями, было всеобъемлющим и систематическим в период жестоких антиязыческих репрессий после эдиктов императора Феодосия, который в 390–391 годах объявил христианство единственной и обязательной религией империи. Торжествующее христианство еще могло смириться с Платоном и Аристотелем, язычниками, верившими в бессмертие души и существование Перводвигателя. Но не с Демокритом.

Тем не менее существует текст, переживший катастрофу и дошедший до нас во всей своей полноте. Благодаря ему мы кое-что знаем об античном атомизме и, сверх того, можем почувствовать дух науки той эпохи. Это блистательная поэма De rerum natura («О природе вещей») древнеримского поэта Лукреция.

Лукреций твердо держится философии Эпикура, который был учеником ученика Демокрита. Эпикура больше интересовали этические, нежели научные, вопросы и ему недоставало демокритовской глубины. Местами он трактует атомизм Демокрита несколько поверхностно. Но в целом его представления о естественном мире соответствует представлениям великого философа из Абдеры. Лукреций переложил в стихотворную форму мысли Эпикура и атомизм Демокрита, благодаря чему часть этой глубокой философии была спасена от интеллектуальной катастрофы Средних веков. Лукреций воспевает атомы, моря, небеса и природу. В своих блестящих стихах он формулирует философские вопросы, научные идеи и изысканные аргументы.

Я объясню, какие силы природы правят Солнцем и определяют движения Луны, чтобы мы не думали, будто их ежегодные перемещения между небом и землей происходит по их собственной воле… Или что они кружатся в соответствии с неким божественным планом…[21]

Солнца пути и луны – разъясню я теперь по порядку.

Первоначала вещей, разумеется, вовсе невольно

Все остроумно в таком разместилися стройном порядке

И о движеньях своих не условились раньше, конечно.

Красота поэмы заключена в том чувстве удивления, которым пропитана широкая атомистическая картина мира, – чувстве глубокого единства вещей, проистекающем из знания, что все они состоят из одной и той же субстанции – что звезды, что моря:

…все мы происходим от небесного семени. Все сходны тем, что у нас один отец, от которого питающая всех мать-земля получает капли орошающей влаги. Оплодотворенная таким образом, она рождает обильные урожаи и крепкие деревья для людей и всех видов животных. Это она дает пищу, которой все они радостно поддерживают жизнь в своих телах и дают продолжение своем роду…

Семени мы, наконец, небесного все порожденья:

Общий родитель наш тот, от которого всё зачинает

Мать всеблагая, земля, дождевой орошенная влагой,

И порождает хлеба наливные и рощи густые,

И человеческий род, и всяких зверей производит,

Всем доставляя им корм, которым они насыщаясь

Все беззаботно живут и свое производят потомство.[22]

Поэма пропитана светлым чувством спокойствия и безмятежности, которое рождается пониманием того, что нет никаких капризных богов, требующих от нас тяжких свершений и наказывающих нас. Она полна легкой пульсирующий радости и начинается с прекрасных вступительных строк, посвященных Венере, сияющему символу творческой силы природы:

Пред тобой уносятся ветры и с твоим появлением облака уходят с неба. Морские горизонты улыбаются тебе, небеса успокаиваются и сияют рассеянным светом.

Ветры, богиня, бегут пред тобою; с твоим приближеньем

Тучи уходят с небес, земля-искусница пышный

Стелет цветочный ковер, улыбаются волны морские,

И небосвода лазурь сияет разлившимся светом.[23]

Выражается глубокое принятие жизни, с которой мы составляем единое целое.

Разве не видно, что для радости и наслаждения природе нужны лишь две вещи: тело, избавленное от боли, и разум, свободный от тревоги и страха.

…Неужели не видно,

Что об одном лишь природа вопит и что требует только,

Чтобы не ведало тело страданий, а мысль наслаждалась

Чувством приятным вдали от сознанья заботы и страха?[24]

Есть здесь и спокойное признание неизбежности смерти, которая прекращает любое зло и в которой нет ничего такого, чего следовало бы страшиться. Религия для Лукреция – это невежество, разум – факел, несущий свет.

Текст Лукреция был забыт на столетия и заново открыт в январе 1417 года гуманистом Поджо Браччолини в библиотеке одного из немецких монастырей. Поджо, служивший секретарем у нескольких пап, был страстным искателем древних рукописей, продолжателем знаменитых переоткрытий, начатых Франческо Петраркой. Открытый Поджо текст Квинтилиана преобразил характер преподавания права во всех университетах Европы; его открытие трактата Витрувия об архитектуре изменило подходы к проектированию и строительству зданий. Но его подлинным триумфом стало переоткрытие Лукреция. Рукопись, обнаруженная Поджо, была впоследствии утрачена, но копия, сделанная его другом Николо Николи (ныне известная как Codex Laurenziano 35.30), остается в целости и сохранности во флорентийской библиотеке «Лауренциана».

В то время, когда Поджо вновь преподнес человечеству книгу Лукреция, была уже хорошо подготовлена почва для принятия чего-то нового. Еще с поколения Данте можно было отчетливо услышать новые акценты:

Твой взгляд пронзает мое сердце

И пробуждает мысль от спячки.

Я весь потерян и в смятенье,

Любовь мне жизнь порвала в клочья.[25]

Переоткрытие поэмы «О природе вещей» оказало глубокое влияние на итальянское и европейское Возрождение[26], его отзвуки прямо или косвенно прослеживаются на страницах самых разных авторов – от Галилея[27] до Кеплера[28] и от Бэкона до Макиавелли. Спустя столетие после Поджо атомы восхитительным образом появляются у Шекспира:

МЕРКУЦИО:

О, вижу я, что у тебя была

Царица Мэб, волшебниц повитуха.

Она совсем малютка: вся она

Не более агатового камня

У старшины на пальце; разъезжает

На атомах, запряженных гуськом,

В своем возке воздушном, по носам

Людей, что спят…[29]

В «Опытах» Монтеня встречается не менее сотни цитат из Лукреция. Прямое влияние Лукреция обнаруживается у Ньютона, Дальтона, Спинозы, Дарвина и, наконец, Эйнштейна. Сама идея Эйнштейна о том, что существование атомов проявляется броуновским движением крошечных частиц, погруженных в жидкость, может быть прослежена назад к Лукрецию. Вот пассаж, в котором Лукреций дает «живое доказательство» представления об атомах.

Этот процесс иллюстрируется картиной, которая постоянно находится прямо у нас перед глазами. Понаблюдайте, что происходит, когда солнечные лучи проникают в здание и создают пятна света в затененных местах. Вы увидите множество крошечных частиц, беспорядочно движущихся по многообразным путям в пустом пространстве, пронизанном лучом света, словно они сражаются друг с другом в непрекращающейся битве, вылетая на поле боя когорта за когортой, не имея ни секунды на отдых в непрерывной череде соединений и разъединений. Так вы можете представить себе, каково приходится атомам, которые бесконечно перетасовываются в безграничной пустоте. В какой-то мере эти малые частицы могут служить иллюстрацией и несовершенным образом великих вещей. Кроме того, есть и еще одна причина, почему вам следует уделить внимание этим частицам, танцующим в солнечном луче: их танец служит индикатором фундаментальных движений материи, которые скрыты от нашего взгляда. Вы видите множества частиц, находящихся под воздействием невидимых потоков, меняющих свое направление и сбиваемых со своего пути туда и сюда, во все стороны. Вам следует понять, что всё это – свидетельство неустанного движения атомов. Причина заключена в атомах, которые движутся сами по себе. Затем небольшие плотные тела, недалеко ушедшие от движущей силы атомов, под воздействием невидимых потоков обретают движение и обращают свою силу на немного более крупные тела. Так, начинаясь с атомов, движение усиливается и постепенно проявляется на уровне наших органов чувств. Так что те пылинки, танец которых мы видим в солнечных лучах, движимы потоками, которые остаются невидимыми.

Образ того, что сейчас описано мной, и явленье

Это пред нами всегда и на наших глазах происходит.

Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает

В наши жилища и мрак прорезает своими лучами

Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,

Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света;

Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах

В схватки бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя,

Или сходясь, или врозь беспрерывно опять разлетаясь.

Можешь из этого ты уяснить себе, как неустанно

Первоначала вещей в пустоте необъятной мятутся,

Так о великих вещах помогают составить понятье

Малые вещи, пути намечая для их постиженья.

Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье

На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,

Что из нее познаешь ты материи также движенья,

Происходящие в ней потаенно и скрыто от взора.

Ибо увидишь ты там, как много пылинок меняют

Путь свой от скрытых толчков и опять отлетают обратно,

Всюду туда и сюда разбегаясь во всех направленьях.

Знай же: идет от начал всеобщее это блужданье.

Первоначала вещей сначала движутся сами,

Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,

Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,

Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться,

Сами к движенью затем понуждая тела покрупнее.

Так, исходя от начал, движение мало-помалу

Наших касается чувств, и становится видимым также

Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,

Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит.[30]

Эйнштейн воскресил «живое доказательство», описанное Лукрецием и, вероятно, впервые предложенное Демокритом, а также придал ему основательность, переведя на математический язык и сумев тем самым вычислить размеры атомов.

Католическая церковь пыталась остановить распространение поэмы Лукреция: Флорентийский синод в декабре 1516 года запретил читать Лукреция в школах. В 1551 году Тридентский собор наложил запрет на поэму. Но было уже поздно. Целостное видение мира, ранее разрушенное средневековым христианским фундаментализмом, уже распространилось по вновь открывшей глаза Европе. Лукреций предложил Европе не просто рационализм, атеизм или материализм. Это была не только светлая и безмятежная медитация, посвященная красоте мира, а нечто большее – ясно выраженная и сложная система мышления о реальности, новый способ думать, радикально отличный от того, что на протяжении веков представлял собой средневековый образ мысли[31].

Средневековый Космос, изумительно воспетый Данте, строился на иерархической организации Вселенной, отражавшей иерархическую организацию европейского общества: сферическое строение космоса с Землей в центре; неустранимое разделение между Землей и небесами; финалистское и метафорическое объяснение естественных явлений. Страх Бога, страх смерти; малое внимание к природе; представление о том, что формы, предшествуя вещам, определяют строение мира; представление о том, что источником знания может быть только прошлое в форме откровения и традиции…

Ничего этого нет в мире Демокрита, воспетом Лукрецием. Там нет страха перед богами; нет конца света или предназначения мира; нет космической иерархии; нет различия между Землей и небесами. Есть глубокая любовь к природе, безмятежное погружение в нее; осознание того, что по сути своей мы являемся ее частью; что мужчины, женщины, животные, растения и облака – это органично сплетенные нити удивительного единого целого безо всякой иерархии. Сверкающие миры Демокрита вызывают чувство глубокого универсализма: «Мудрому человеку вся земля открыта. Ибо для хорошей души отечество – весь мир»[32].

Появляется желание научиться думать о мире в простых категориях, получить возможность исследовать и понимать секреты природы, чтобы знать больше, чем наши родители. И для этого есть уникальные мыслительные инструменты, на которые опирались Галилей, Кеплер и Ньютон, – идея свободного прямолинейного движения в пространстве; идея элементарных тел, из которых строится мир, и их взаимодействий; идея пространства как вместилища мира.

И кроме того, есть простая идея конечной делимости вещей. Фундаментальной зернистости мироздания. Идея, которая не позволяет бесконечности проскользнуть у нас между пальцами.

Эта мысль лежит в самом сердце атомной гипотезы, и мы еще встретимся с ней, когда будем говорить о дополнительных силах, возникающих в квантовой механике. Сегодня она вновь раскрывает свою мощь в качестве краеугольного камня квантовой гравитации.

Первым человеком, который соединил части мозаики, начавшие появляться в контексте натурализма эпохи Возрождения, и восстановил, невероятно усилив, демокритовскую картину мира, сделав ее центром современной мысли, стал англичанин, величайший ученый всех времен и первый герой следующей главы.

2

Классика

Исаак и маленькая луна

Предыдущая глава могла создать впечатление, будто я утверждаю, что Платон и Аристотель лишь повредили развитию науки. Я бы хотел скорректировать это впечатление. Аристотелевское исследование природы, например ботаники и зоологии, – это выдающиеся научные работы, основанные на тщательных наблюдениях за окружающим миром. Концептуальная ясность и внимание к разнообразию природы, впечатляющий интеллект и непредвзятость суждений великого философа обеспечили ему авторитет на долгие столетия. Первое известное нам систематическое изложение физики принадлежит Аристотелю, и это совсем неплохая физика.

Аристотель рассказывает о ней в книге, которая так и называется – «Физика». Заглавие этой книги не происходит от названия дисциплины – наоборот, дисциплина получила название по книге Аристотеля. Согласно Аристотелю, физика устроена следующим образом. В первую очередь, необходимо провести различие между небесами и Землей. В небесах всё состоит из кристаллической субстанции и вечно совершает круговые движения по огромным концентрическим окружностям, в центре которых находится сферическая Земля. На Земле необходимо различать вынужденные движения и естественные движения. Вынужденные движения вызываются усилием и прекращаются, когда прекращается усилие. Естественные движения направлены вертикально – вверх или вниз – и зависят от субстанции и ее расположения. Каждая субстанция имеет свое «естественное место» – так сказать, надлежащую высоту, на которую она всегда возвращается: земля внизу, вода немного выше, над ней воздух, а еще выше – огонь. Когда вы берете камень и позволяете ему упасть, он движется вниз, поскольку хочет вернуться к своему естественному уровню. Воздушные пузыри в воде, огонь в воздухе и взлетающие детские воздушные шарики – все они ищут свое естественное место.

Не надо смеяться над этой теорией или отбрасывать ее, поскольку она вполне физична. Это хорошее и корректное описание движения погруженных в жидкость тел, подвергающихся воздействию гравитации и трения, то есть реальных вещей, с которыми мы повседневно сталкиваемся в своей жизни. Это не ошибочная физика, как часто говорят. Это – приближение[33].

Физика Ньютона тоже является приближением к общей теории относительности. И вероятно, всё, что мы знаем сегодня, в свою очередь, является приближением к чему-то, чего мы еще не знаем. Конечно, физика Аристотеля довольно груба, она не имеет количественной формы (на ее основе нельзя делать расчеты), но она последовательна и рациональна и позволяет делать корректные качественные предсказания. Не зря она в течение столетий оставалась лучшей доступной моделью для понимания движения[34].

Платон, возможно, еще важнее для будущего развития науки.

Именно Платон понял всё значение догадок Пифагора и пифагорейцев: ключом к тому, чтобы пойти дальше Милетской школы, является математика.

Пифагор родился на Самосе, маленьком острове неподалеку от Милета. Его первые биографы Ямвлих и Порфирий рассказывают, что юный Пифагор был учеником престарелого Анаксимандра. Все началось в Милете. Пифагор много путешествовал, вероятно, по Египту и, возможно, даже побывал в Вавилоне, прежде чем осесть на юге Италии в Кротоне, где он основал свою религиозно-политико-научную секту, которая играла важную роль в политике маленького городка, но, помимо этого, оставила всему миру наследие огромной ценности – открытие теоретической полезности математики. Пифагору приписывают утверждение: «Число правит формами и идеями»[35].

Платон избавил пифагореизм от его обременительного и бесполезного мистического багажа. Он воспринял и очистил его полезный посыл: математика – это язык, лучше всего приспособленный для понимания и описания мира. Эффект от этой догадки был колоссальным; она стала одной из причин успеха западной науки. Согласно традиции, на двери своей школы Платон вырезал фразу: «Да не войдет сюда не знающий геометрии». Под влиянием этого убеждения Платон поднял важнейший вопрос, из которого после долгих окольных блужданий возникла современная наука. Он спрашивал у своих учеников, изучавших математику: могут ли они найти математические законы, которым следуют планеты, видимые на небосводе? Венеру, Марс и Юпитер легко увидеть на ночном небе. Их движения выглядят до некоторой степени беспорядочными: относительно звезд они перемещаются то в одну, то в другую сторону. Можно ли найти математическое описание, позволяющие предсказывать их движения?

Попытки найти эти законы начинаются с Евдокса в платоновской школе и продолжаются на протяжении следующих столетий такими астрономами, как Аристарх и Гиппарх; они поднимают античную астрономию на высочайший научный уровень. О достижениях этой науки мы знаем из единственной книги, которая дошла до нас, – «Альмагеста» Птолемея. Птолемей был астрономом, жившим в I веке нашей эры в Александрии, входившей в состав Римской империи, где наука тогда уже переживала спад и двигалась к полному исчезновению на фоне масштабного коллапса эллинистического мира, задушенного христианизацией Империи.

Книга Птолемея – это важнейший научный труд. Строгая, точная, сложная, она представляет астрономию как математическую систему, способную предсказывать кажущиеся беспорядочными движения планет по небу с почти безупречной точностью, ограниченной лишь возможностями человеческого глаза. Эта книга – доказательство того, что догадка Пифагора была верна. Математика позволяет описывать мир и предсказывать его будущее: внешне случайные и беспорядочные движения планет можно точно предсказать, используя формулы Птолемея, в которых объединены столетия труда греческих астрономов, представленные в тщательно систематизированном виде. Даже сегодня, приложив небольшие усилия, можно открыть книгу Птолемея, изучить его выкладки и вычислить, например, положение, которое займет Марс на небе в будущем. Сегодня, через 2000 лет после того, как книга была написана. Осознание того, что эта магия действительно работает, лежит в основании современной науки, и в немалой степени мы обязаны этим Пифагору и Платону.

После заката античной науки никто во всем Средиземноморье не был способен понять труды Птолемея, как и многие другие важные научные работы, пережившие катастрофу, такие как «Начала» Евклида. В Индии, куда греческое учение попало благодаря активным торговым и культурным связям, эти книги изучались и были поняты.

Из Индии это знание вернулось на Запад благодаря просвещенным персидским и арабским ученым, которые смогли понять и сохранить его. Однако астрономия за тысячу с лишним лет так и не сделала сколько-нибудь существенного шага вперед. Примерно в то же время, когда Поджо Браччолини обнаружил рукопись Лукреция, вольный дух итальянского гуманизма и интерес к античным текстам воодушевили юного поляка, который прибыл на учебу в Италию, сперва в Болонью, затем в Падую.

Он подписывался на латинский манер: Николаус Коперникус. Молодой Коперник изучил «Альмагест» Птолемея и буквально влюбился в него. Он решил посвятить жизнь астрономии, следуя по стопам великого Птолемея.

Пришло время, и более тысячи лет спустя после Птолемея Коперник смог продвинуться на шаг дальше, чем поколения индийских, арабских и персидских астрономов. Он не просто изучал и применял птолемееву систему, внося в нее небольшие поправки, но радикально усовершенствовал ее, смело изменив самые ее основания. Вместо того чтобы описывать, как небесные тела обращаются вокруг Земли, Коперник публикует своего рода пересмотренную и исправленную версию птолемеевского «Альмагеста», согласно которой Солнце находится в центре, а Земля вместе с другими планетами обращается вокруг него.

На этом пути, как надеялся Коперник, вычисления станут работать еще лучше. На деле они не были точнее, чем у Птолемея; в конечном счете, они даже оказались хуже птолемеевских. Но, несмотря на это, идеи Коперника вызвали резонанс: в следующем поколении Иоганн Кеплер показал, что систему Коперника можно заставить работать лучше птолемеевской. Тщательнейшим образом анализируя новые, точные наблюдения, Кеплер показал, что несколько новых математических законов могут описывать движение планет вокруг Солнца с точностью, превосходящий ту, что была достигнута в древности. Итак, только в 1600 году человечество впервые смогло сделать что-то лучше, чем это делалось в Александрии более тысячи лет назад.

Пока на холодном севере[36] Кеплер рассчитывал движения небесных тел, в Италии Галилео Галилей закладывал основания новой науки. Энергичный итальянец, любящий поспорить, убедительный, высокообразованный, исключительно умный и изобретательный, Галилей получил присланный из Голландии только что изобретенный телескоп и сделал шаг, изменивший человеческую историю. Он направил его в небо.

Подобно Рою из «Бегущего по лезвию бритвы», он видит вещи, в которые мы, люди, не можем поверить: кольца вокруг Сатурна, горы на Луне, фазы Венеры, спутники, обращающиеся вокруг Юпитера… Каждое из этих явлений делает идеи Коперника всё более правдоподобными. Научные инструменты начинают открывать близорукому человечеству вид на мир, который намного обширнее и многообразнее того, что люди могли себе вообразить.

Однако величайшая заслуга Галилея состояла в том, что он сделал логический вывод из космической революции, начатой Коперником. Галилей был убежден в том, что Земля – это такая же планета, как и все остальные; исходя из того что движения в небесах следуют точным математическим законам, а Земля – тоже планета и, таким образом, является частью небес, он пришел к выводу, что должны существовать точные математические законы, управляющие движениями предметов на Земле.

Уверенный в рациональности природы и в пифагорейско-платоновском представлении о том, что природу можно понять посредством математики, Галилей решает изучить, как движутся предметы на Земле, когда они свободны, то есть когда они падают. Будучи убежден в том, что должен существовать соответствующий математический закон, он начинает его поиск методом проб и ошибок. Впервые в истории человечества он ставит эксперимент. Экспериментальная наука начинается с Галилея. Его эксперимент очень прост: он позволяет предметам падать, то есть дает им возможность следовать тому, что для Аристотеля было их естественным движением, и старается точно измерить скорость их падения.

Результат эксперимента был поистине эпохальным: оказалось, что предметы вовсе не падают всё время с постоянной скоростью, как все полагали раньше. Напротив, в начале падения их скорость постоянно увеличивается. Постоянством на этой стадии характеризуется не скорость падения, а его ускорение, иначе говоря темп, в котором возрастает скорость. И удивительным образом это ускорение оказывается одинаковым для всех предметов. Галилей выполняет первое грубое измерение этого ускорения и находит, что оно постоянно. Его значение составляет примерно 9,8 метра в секунду за секунду, то есть каждую секунду своего падения предмет увеличивает скорость на 9,8 метра в секунду. Запомните это число.

Это первый математический закон, открытый для земных предметов: закон падения тел[37]. До этого момента были открыты лишь математические законы движения планет. Математическое совершенство больше не ограничено небесами.

И все же величайший результат еще впереди, и получит его не кто иной, как Исаак Ньютон. Ньютон тщательно изучает результаты Галилея и Кеплера и, объединяя их, находит настоящий скрытый бриллиант. Мы можем проследить за его рассуждениями на примере «маленькой луны», как делает он сам в «Математических началах натуральной философии» – книге, в которой оформились основания современной науки.

Представьте себе, что Земля, пишет Ньютон, имеет много лун, подобно Юпитеру. Помимо настоящей Луны, вообразим другие спутники, и в частности маленькую луну, которая обращается вокруг Земли на минимальном расстоянии от нее, чуть выше горных пиков. С какой скоростью двигалась бы эта маленькая луна? Один из открытых Кеплером законов связывает радиус орбиты с периодом обращения, то есть с временем, которое уходит на один полный оборот[38]. Мы знаем радиус орбиты настоящей Луны (Гиппарх измерил его еще в древности) и ее период обращения (один месяц). Мы знаем радиус орбиты маленькой луны (радиус Земли измерен Эратосфеном в древности). Из простой пропорции можно вычислить орбитальный период маленькой луны. Получается полтора часа. Маленькая луна совершала бы один оборот вокруг Земли каждые 90 минут.

Далее, находящийся на орбите объект не движется прямолинейно: он постоянно изменяет направление, а изменение направления – это ускорение. Маленькая луна ускоряется в направлении центра Земли. Это ускорение нетрудно подсчитать[39]. Ньютон делает простые вычисления и в результате получает… 9,8 метра в секунду за секунду! То же самое ускорение, что и у Галилея в экспериментах с падающими телами на Земле.

Совпадение? Не может быть, заключает Ньютон. Если результат одинаков – ускорение вниз величиной 9,8 метра в секунду за секунду, – то и причина должна быть одна. А значит, сила, которая заставляет маленькую луну обращаться по своей орбите, должна быть той же, что заставляет предметы падать на земную поверхность.

Мы называем силу, заставляющую предметы падать, гравитацией. Ньютон понимает, что эта самая гравитация заставляет маленькую луну обращаться вокруг Земли. Без гравитации она улетела бы прочь по прямолинейной траектории. Но тогда и настоящая Луна тоже должна обращаться вокруг Земли из-за гравитации! И спутники Юпитера притягиваются Юпитером, и планеты, которые обращаются вокруг Солнца, притягиваются Солнцем! Без этого притяжения любое небесное тело двигалась бы прямолинейно. И тогда Вселенная – это огромное пространство, где тела притягиваются друг к другу определенными силами и существует универсальная сила гравитации: каждое тело притягивается ко всем другим телам.

Грандиозная картина обретает форму. Внезапно, спустя тысячелетие исчезает разделение между небесами и Землей: больше нет «естественного уровня» для вещей, как предполагал Аристотель, нет центра мира, предметы обретают свободу и больше не стремятся к своему естественному месту, но движутся прямолинейно и вечно.

Простой расчет с маленькой луной позволяет Ньютону вывести, как гравитация меняется с расстоянием, и определить ее силу[40], характеризуемую величиной, которую сегодня называют ньютоновской гравитационной постоянной и обозначают буквой G (от слова gravity). На Земле эта сила заставляет предметы падать, в небесах она удерживает планеты и спутники на своих орбитах. Но это одна и та же сила.

Это – крушение аристотелевской картины мира, которая доминировала в представлениях людей на протяжении Средних веков. Подумайте, например, о вселенной Данте: как и у Аристотеля, Земля – это шар в центре Вселенной, окруженный небесными сферами. Теперь это не так. Вселенная – это громадное, бесконечное пространство, усеянное звездами, без границ и без какого-либо центра. Материальные тела в ней движутся свободно и прямолинейно, если только сила, порожденная другими телами, не отклоняет их. Отсылки к античному атомизму хорошо видны у Ньютона, даже когда он использует общепринятые понятия:

Мне кажется вероятным, что Бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству…[41]

Мир ньютоновской механики прост и представлен на рис. 2.1 и 2.2. Это – возрожденный мир Демокрита. Мир, состоящий из огромного однородного пространства, всегда и везде подобного самому себе, в котором частицы вечно движутся, взаимодействуя друг с другом, – и ничего больше. Мир, воспетый Леопарди:

…Сижу, смотрю —

И бесконечные за ней пространства,

Молчанья неземные, глубочайший

Покой объемлю мыслью…[42]

Рис. 2.1. Из чего состоит мир?

Рис. 2.2. Мир Ньютона: частицы, которые с течением времени движутся в пространстве, притягиваемые силами

Но эта картина намного сильнее демокритовского представления, поскольку это не просто мысленный образ, с помощью которого упорядочивается мир. Теперь эта картина объединена с математикой – наследием Пифагора и великой традицией математической физики александрийских астрономов. Мир Ньютона – это мир Демокрита, выраженный математическими средствами.

Ньютон без всяких колебаний признает, что новая наука очень многим обязана науке античной. Например, в первых же строках своего «Трактата о системе мира»[43] он указывает (корректно) на античное происхождение идеи, лежащей в основе коперниканской революции: «По мнению древних философов, в высочайших частях мира звезды закреплены и находятся в неподвижности, а Земля обращается вокруг Солнца»; однако он немного ошибается относительно достижений и открытий ученых прошлого и цитирует – иногда к месту, иногда нет – Филолая, Аристарха Самосского, Анаксимандра, Платона, Анаксагора, Демокрита и (!) «ученого Нума Помпилия, царя римлян».

Сила новой ньютоновской интеллектуальной парадигмы превзошла самые смелые ожидания. Вся технология XIX века и нашего современного мира основывается по большей части на ньютоновских формулах. Прошло три столетия, но мы по-прежнему сооружаем мосты, поезда и небоскребы, двигатели и гидравлические системы благодаря теориям, строящимся на ньютоновских уравнениях. Благодаря Ньютону мы знаем, как управлять самолетом, как делать метеорологические прогнозы, как предсказывать существование еще не обнаруженных планет и как отправлять космические аппараты на Марс… Современный мир не родился бы без маленькой луны Ньютона.

Новая картина мира, новый способ мышления, ставший источником вдохновения для просветителей – Вольтера и Канта, эффективный способ предсказания будущего: все это было и остается величайшим наследием ньютоновской революции.

Казалось, найден последний ключ к пониманию реальности: мир состоит только из великого, бесконечного пространства, где погруженные в поток времени частицы движутся и взаимодействуют друг с другом посредством сил. Действие этих сил можно описать с помощью точных уравнений, которые продемонстрировали свою невероятную эффективность. Вплоть до XIX века люди полагали, что Ньютон был не только одним из самых умных и дальновидных ученых, но также и самым удачливым, поскольку в мире существует лишь одна система фундаментальных законов и ему сказочно повезло стать ее первооткрывателем. Всё в мире казалось предельно ясным.

Но насколько эти представления соответствовали действительности?

Майкл: поля и свет

Ньютон знал, что его уравнения не описывают все силы, существующие в природе. Есть силы, действующие между телами, отличные от гравитации. Предметы движутся не только тогда, когда они падают. Первым вопросом, который оставила открытым теория Ньютона, было объяснение других сил, которые определяют то, что происходит вокруг нас. Ответа на этот вопрос человечеству пришлось ждать до XIX столетия, в котором его ждало два удивительных сюрприза.

Первый сюрприз состоит в том, что почти все явления, которые мы наблюдаем, определяются единственной силой, отличной от гравитации: это сила, которую сегодня мы называем электромагнетизмом. Именно она скрепляет вещество, составляющее твердые тела, и удерживает вместе атомы в молекулах и электроны в атомах. Эта сила заставляет работать химические и биологические механизмы. Она действует в нейронах нашего мозга и отвечает за обработку информации о мире, которая нами воспринимается, и за мысли в наших головах. Эта же сила создает трение, которое останавливает скользящие предметы, смягчает приземление парашютиста, приводит в движение электрические моторы и двигатели внутреннего сгорания[44], позволяет нам включать свет и слушать радио.

Понимание того, каким образом работают электромагнитные силы, было достигнуто другим британцем, а точнее двумя: это была самая странная научная пара – Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл.

Майкл Фарадей происходил из обедневшей лондонской семьи и даже не закончил школу. Поначалу он работает в переплетной мастерской, а затем попадает в лабораторию, где преуспевает, завоевав доверие своего работодателя, и вырастает в самого блистательного физика-экспериментатора XIX века и величайшего провидца. Не имея знаний по математике, он создает одну из лучших в мире книг по физике, которая практически не содержит уравнений. Он видит физику своим внутренним взором и создает миры силой своего воображения. Джеймс Клерк Максвелл – богатый шотландский аристократ, один из величайших математиков своего столетия. Несмотря на разделяющую их пропасть в части стиля мышения и социального происхождения, они достигают взаимопонимания и, объединив вместе два гениальных ума, открывают новые пути к современной физике.

Сведения об электричестве и магнетизме в начале XVIII века, по сути, ограничивались несколькими развлекательными трюками: стеклянные стержни, притягивающие кусочки бумаги; магниты, которые отталкиваются и притягиваются. Исследования электричества и магнетизма неспешно велись в течение всего XVIII века и продолжились в XIX веке; но здесь в игру вступает Фарадей, работающий в лондонской лаборатории, полной катушек, игл, ножей и железных клеток, который изучает притяжение и отталкивание наэлектризованных и намагниченных предметов. Как истинный ньютонианец, он пытается понять силу, которая действует между заряженными и намагниченными предметами. Очень медленно, на ощупь, постоянно анализируя взаимодействие этих предметов, он приходит к догадке, которая легла в основу всей современной физики. Он «видит» нечто новое.

Рис. 2.3. Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл

Догадка Фарадея состоит в следующем: мы не должны считать, что силы действуют напрямую между удаленными объектами, как предполагал Ньютон. Вместо этого мы должны предположить, что есть некая сущность, разлитая в пространстве, которая изменяется наэлектризованными и намагниченными телами и которая, в свою очередь, воздействует на эти тела (отталкивает и притягивает их). Сущность эта, о наличии которой догадался Фарадей, сегодня называется полем.

Что же такое поле? Фарадей видит его как пространство, образованное пучками очень тонких (бесконечно тонких) линий: невидимая гигантская паутина, заполняющая всё вокруг нас. Он говорит о «силовых линиях», поскольку, в некотором смысле, эти линии «переносят силу»: они передают электрические и магнитные воздействия от одного тела к другому, как если бы это были тянущие и толкающие тросы (рис. 2.4).

Объект, имеющий электрический заряд (например, натертый стеклянный стержень) искажает электрическое и магнитное поля (линии) вокруг себя, и, в свою очередь, эти поля вызывают силы, действующие на каждый погруженный в них заряженный объект. Таким образом, два удаленных друг от друга заряженных тела притягиваются или отталкиваются не напрямую, а только через расположенную между ними среду.

Рис. 2.4. Линии поля заполняют пространство. Благодаря им происходит взаимодействие двух электрически заряженных объектов. Сила взаимодействия этих объектов «переносится» силовыми линиями поля

Когда вы берете в руки два магнита и играете с ними, попеременно сближая и удаляя их друг от друга, то чувствуете силу, с которой они притягиваются или отталкиваются. Благодаря этим эффектам вы «ощущаете» поле, находящееся между магнитами, и можете прийти к той же догадке, что и Фарадей.

Эта идея кардинальным образом отличается от ньютоновского представления о силе, действующей между удаленными телами. Но она понравилась бы Ньютону. Он на самом деле был озадачен тем самым притяжением на расстоянии, которое сам же и ввел в оборот. Каким образом Земле удается притягивать к себе Луну, которая находится так далеко? Каким образом Солнце притягивает Землю, не вступая с ней в соприкосновение? В одном из писем он замечает:

Непостижимо также, чтобы неодушевленная грубая материя (без Божественного вмешательства) влияла бы и воздействовала бы на другую материю, не вступая с последней в прямой контакт…[45]

А страницей далее он даже пишет:

То, что тяготение должно быть врожденным, внутренне присущим материи и существенным для нее, дабы одно тело могло воздействовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства какого-либо агента, посредством и при участии которого действие и сила могли бы передаваться от одного <тела> к другому, представляется мне столь вопиющей нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее. Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно действующим по определенным законам; материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям.[46]

Ньютон называет абсурдом свой собственный шедевр – ту самую работу, которая веками восхваляется как высшее достижение науки! Он понимает, что за действием на расстоянии в его теории должно стоять еще что-то, но у него нет идей, что бы это могло быть, и он предоставляет об этом вопросе… «судить читателям»!

Для гения характерно понимать пределы собственных находок, даже в случае таких выдающихся достижений, как открытие Ньютоном законов механики и всемирного тяготения. Теория Ньютона прекрасно работает, она оказалась настолько полезной, что в течение двух столетий никто даже не пытался ставить ее под сомнение, – пока Фарадей, «читатель», которому Ньютон завещал свой неразрешенный вопрос, не нашел ключ к разумному пониманию того, как тела притягивают и отталкивают друг друга на расстоянии. Позднее Эйнштейн применит блестящую идею Фарадея к самой ньютоновской теории гравитации.

Введя новую сущность – поле, он радикально отошел от элегантной и простой ньютоновской онтологии: мир больше не состоит только из частиц, которые с ходом времени движутся в пространстве. На сцене появляется новое действующее лицо – поле. Фарадей понимает всю важность совершаемого им шага. В его книге есть прекрасные пассажи, где он задается вопросом, существуют ли в реальности эти силовые линии. После периода сомнений и тщательного анализа он делает вывод, что может думать о них как о реальных, но с «осторожностью, которая необходима, когда сталкиваешься с глубочайшими вопросами науки»[47]. Он осознает, что предлагает не что иное как изменение картины мира после двух столетий непрерывных успехов ньютоновской физики (рис. 2.5).

Максвелл быстро осознает, что эта идея вскрывает золотую жилу. Он превращает прозрение Фарадея, которое тот излагает лишь словами, в страницу уравнений[48]. Они известны теперь как уравнения Максвелла и описывают поведение электрического и магнитного полей – математическое представление «линий Фарадея»[49].

Рис. 2.5. Мир Фарадея и Максвелла: частицы и поля, которые движутся в пространстве с течением времени

Сегодня уравнения Максвелла каждодневно используются для описания всех электрических и магнитных явлений, для проектирования антенн, радиоприемников, электрических двигателей и компьютеров. И это еще не всё: те же самые уравнения нужны для объяснения того, как устроены атомы (они скрепляются электрическими силами), почему частицы вещества, образующего камень, соединяются друг с другом, как устроено Солнце. Они описывают невероятное число самых разных явлений. Почти все, что мы наблюдаем в окружающем мире, за исключением гравитации и еще нескольких явлений, прекрасно описывается уравнениями Максвелла.

Но есть еще один очень важный момент – то, что может считаться самым прекрасным достижением науки: уравнения Максвелла объясняют нам, что такое свет.

Максвелл обнаружил, что, согласно его уравнениям, линии Фарадея могут колебаться и двигаться волнообразно, подобно волнам на поверхности моря. Он вычислил скорость, с которой движутся волны фарадеевых линий, и эта величина оказалась… равной скорости света! Почему? Максвелл понял: потому что свет – это не что иное, как быстрые колебания фарадеевых линий! Фарадей и Максвелл не только поняли, как устроены электричество и магнетизм, но и заодно, как побочный эффект, объяснили, что такое свет.

Мы видим окружающий мир цветным. Что такое цвет? Упрощенно говоря, это частота (скорость колебаний) электромагнитной волны, представляющей собой свет. Если волна колеблется быстрее, свет голубеет. Если чуть медленнее – краснеет. Цвет, как мы его воспринимаем, – это психофизиологическая реакция на нервные импульсы, порождаемые рецепторами в наших глазах, которые различают электромагнитные волны разной частоты.

Я могу только догадываться, что почувствовал Максвелл, когда понял, что его уравнения, выведенные для описания катушек, клеток и иголок в лаборатории Фарадея, объясняют природу света и цвета…

Свет, таким образом, – это не что иное, как быстрые колебания паутины фарадеевых линий, которые волнуются, подобно поверхности моря под порывами ветра. Неправда, будто мы не видим фарадеевых линий. Просто мы видим только их колебания. Видеть – значит воспринимать свет, а свет – это движение фарадеевых линий. Ничто не перескакивает из одного места в пространстве в другое без какого-либо переносчика. И если мы видим ребенка, играющего на морском берегу, то лишь потому, что между ним и нами простирается море вибрирующих линий, которые доносят до нас его изображение. Ну разве этот мир не чудесен?

Это поистине выдающееся открытие, но им дело не ограничивается. Прямым его следствием становится вывод, имеющий для нас колоссальное значение. Максвелл понимает, что, согласно его уравнениям, фарадеевы линии могут колебаться на значительно меньших частотах, то есть гораздо медленнее, чем свет. Следовательно, должны существовать другие волны, которых никто еще не видел, порожденные движением электрических зарядов и способные, в свою очередь, перемещать электрические заряды. Должна быть возможность потрясти электрический заряд здесь и породить волну, которая вызовет электрический ток там. Всего несколькими годами позже эти волны, теоретически предсказанные Максвеллом, будут обнаружены немецким физиком Генрихом Герцем. А еще через несколько лет Гульельмо Маркони создаст первое радио.

Все современные коммуникационные технологии – радио, телевидение, телефоны, компьютеры, спутники, Wi-Fi, интернет и т. п. – являют собой прикладные применения максвелловских предсказаний; уравнение Максвелла – это основа всех расчетов, выполняемых инженерами в области телекоммуникаций. Современный мир, основанный на коммуникациях, родился из догадки бедного лондонского переплетчика – искусного исследователя идей, обладавшего живым воображением, – который своим мысленным взором увидел некие линии, а также из работы хорошего математика, который перевел его образы в уравнения и понял, что волны этих линий в мгновение ока могут переносить новости с одного конца планеты на другой.

Рис. 2.6. Из чего состоит наш мир?

Наши современные технологии основаны на использовании физических объектов – электромагнитных волн, – которые не были открыты эмпирически: они были предсказаны Максвеллом путем поиска математического описания, соответствующего догадке Фарадея, возникшей из возни с катушками и иголками. Такова поразительная мощь теоретической физики.

Мир изменился: он больше не состоит только из частиц в пространстве, теперь это частицы и поля в пространстве (рис. 2.6). Может показаться, что это незначительное изменение, но несколько десятилетий спустя молодой человек еврейского происхождения, гражданин мира, сделает из этого выводы, которые пойдут намного дальше того, что могло нарисовать себе буйное воображение Майкла Фарадея, и которые до основания потрясут ньютоновский мир.

Часть II

Начало революции

Физика XX столетия кардинально изменила ньютоновский образ мира. Новые открытия стали основой значительной части современных технологий. Более глубокое понимание мира основано на двух теориях: общей теории относительности и квантовой механике. Обе они потребовали смелой переоценки наших привычных представлений о мире: о пространстве и времени – в теории относительности, о материи и энергии – в квантовой теории.

Во второй части книги я довольно подробно описываю эти две теории, пытаясь прояснить их глубинный смысл и подчеркнуть ту концептуальную революцию, которую они произвели. Именно здесь берет начало волшебство физики XX столетия. Изучать эти теории и пытаться понять их до самой глубины – это поистине восхитительное приключение.

Эти две теории – относительность и кванты – заложили основу, на которой мы сегодня строим квантовую теорию гравитации. Они служат фундаментом, отталкиваясь от которого мы пытаемся двигаться вперед.

3

Альберт

Отец Альберта Эйнштейна строил электростанции в Италии. Когда Альберт был ребенком, уравнениям Максвелла было всего несколько десятков лет от роду, но Италия уже входила в эпоху промышленной революции, и турбины с трансформаторами, которые строил отец Эйнштейна, основывались на этих уравнениях. Мощь новой физики была очевидна для всех.

Альберт был бунтарем. Родители оставили его в Германии для завершения школьного образования, однако он считал немецкую школьную систему слишком жесткой и военизированной; он не смог смириться со школьными порядками и бросил учебу. Вернувшись к родителям в Италию, в Павию, он проводил время в безделье. Затем он отправился учиться в Швейцарию, но не смог сразу поступить в Цюрихский политехникум, куда стремился. После университета он не смог получить исследовательскую позицию и, чтобы заработать на жизнь себе и своей гражданской жене, нанялся на работу в патентный офис в Берне.

Это было не самое завидное место для дипломированного физика, однако оно обеспечило Альберту время для размышлений и независимой работы. И он размышлял и работал. В конце концов, именно этим он занимался с самой ранней юности: вместо того чтобы учиться в школе, он читал «Начала» Евклида и «Критику чистого разума» Канта. Ведь невозможно попасть в новые места, следуя проложенным трассам.

В возрасте 25 лет Эйнштейн отправляет в Annalen der Physik три статьи. Каждая из них была как минимум достойна Нобелевской премии и даже большего. И каждая стала опорой для нашего понимания мира. Я уже рассказывал о первой из этих статей, в которой молодой Альберт вычислил размеры атомов и доказал спустя 23 столетия, что идеи Демокрита были верны – материя зерниста.

Вторая статья принесла Эйнштейну наибольшую славу – именно в ней он представил свою теорию относительности. Именно теории относительности и посвящена эта глава.

На самом деле существует две теории относительности. Конверт, отправленный в редакцию двадцатипятилетним Эйнштейном, содержал изложение первой из них – теории, которую сегодня мы называем специальной теорией относительности. Она дает важное уточнение структуры пространства и времени, которое я проиллюстрирую здесь, прежде чем переходить к другой, более важной, теории Эйнштейна – общей теории относительности.

Специальная теория относительности – это тонкая и концептуально сложная теория. Ее труднее усвоить, чем общую теорию относительности. Читателю не следует пугаться, если следующие несколько страниц покажутся ему не очень простыми для понимания. Эта теория впервые показывает, что в ньютоновской картине мира не просто чего-то не хватает, но она должна быть радикально изменена, причем таким образом, что станет полностью противоречить здравому смыслу. Это первый реальный шаг к пересмотру наших самых глубоких интуитивных представлений о мире.

Расширенное настоящее

Теории Ньютона и Максвелла противоречат друг другу в одном тонком моменте. Из уравнений Максвелла выводится величина скорости – скорости света. Однако ньютоновская механика несовместима с существованием фундаментальной скорости, поскольку в уравнения Ньютона входит ускорение, а не скорость. В ньютоновской физике скорость может быть только скоростью чего-то относительно чего-то другого. Галилей подчеркивал тот факт, что Земля движется относительно Солнца, даже если мы не воспринимаем это движение, поскольку то, что мы обычно называем скоростью, – это скорость относительно Земли. Именно это мы имеем в виду, говоря, что скорость – это относительная величина, то есть скорость объекта самого по себе не имеет смысла, единственная скорость, которая существует, – это скорость одного объекта относительно другого. Это то, что изучали студенты-физики в XIX веке, и то, что они изучают сегодня. Но если это так, то относительно чего определена скорость света, выводимая из уравнений Максвелла?

Одна из возможностей разрешения этого спорного вопроса состоит в том, что существует некая универсальная среда, по отношению к которой свет и движется со своей скоростью. Однако положения теории Максвелла выглядят независимыми от этой среды. Все экспериментальные попытки измерить скорость Земли по отношению к этой гипотетической среде, предпринимавшиеся в конце XIX века, закончились неудачей.

Эйнштейн утверждал, что на верный путь его навели не эксперименты, а только видимые противоречия между уравнениями Максвелла и механикой Ньютона. Он задался вопросом: можно ли каким-то образом совместить ключевые открытия Ньютона и Галилея с теорией Максвелла?

Занимаясь этим, Эйнштейн пришел к удивительному открытию. Чтобы понять его, подумайте обо всех прошлых, настоящих и будущих событиях (по отношению к тому моменту, когда вы читаете этот текст) и представьте их изображенными как на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Пространство и время до Эйнштейна

Итак, открытие Эйнштейна заключается в том, что эта схема некорректна. В действительности все устроено примерно так, как показано на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Структура пространства-времени. Для каждого наблюдателя «расширенное настоящее» – это промежуточная зона между прошлым и будущим

Между прошлым и будущим для некоторого события (например, между прошлым и будущим для вас, там, где вы в данный конкретный момент находитесь) существует «промежуточная зона», или «расширенное настоящее», зона, которая не является ни прошлым, ни будущим. Это открытие сделано в рамках в специальной теории относительности.

Длительность этой промежуточной зоны[50], которая не находится ни в вашем прошлом, ни в вашем будущем, очень мала и зависит от того, где относительно вас происходит событие (см. рис. 3.2): чем больше расстояние от вас до события, тем больше длительность расширенного настоящего. На расстоянии нескольких метров от вашего носа, дорогой читатель, продолжительность того, что является для вас промежуточной зоной (ни прошлым, ни будущим), не превышает нескольких наносекунд – это почти ничто (в одной секунде столько же наносекунд, сколько секунд в 30 годах). Это намного меньше, чем вы способны заметить. На другой стороне океана длительность этой промежуточной зоны составляет тысячную долю секунды, что всё еще ниже порога нашего восприятия времени: минимальный отрезок времени, который мы способны ощутить, – порядка сотой доли секунды. Однако на Луне продолжительность расширенного настоящего составляет уже секунды, а на Марсе – около четверти часа. Таким образом, можно сказать, что на Марсе есть события, которые в данный конкретный момент уже случились, события, которым еще предстоит случиться, но есть также четверть часа, в течение которых происходят события, которые не принадлежат ни нашему прошлому, ни нашему будущему.

Они находятся где-то еще. Никогда прежде мы не догадывались о существовании этого «где-то еще», поскольку вблизи нас это «где-то еще» слишком скоротечно; мы недостаточно проворны, чтобы его заметить. Но оно существует, и оно реально.

Именно поэтому нельзя поддерживать непринужденную беседу между Землей и Марсом. Допустим, я нахожусь на Марсе, а вы здесь. Я задаю вам вопрос, а вы отвечаете сразу, как только услышите, что я сказал; ваш ответ приходит ко мне спустя четверть часа после того, как я задал вопрос. Эта четверть часа – время, которое не является ни прошлым, ни будущим по отношению к тому моменту, когда вы мне ответили. Принципиальный факт, касающийся устройства мира, понятый Эйнштейном, состоит в том, что эта четверть часа неустранима: нет способа ее сократить. Она вплетена в ткань событий пространства и времени: мы не можем укоротить ее точно так же, как не можем послать письмо в прошлое.

Это странно, но наш мир устроен именно так. Это так же странно, как тот факт, что в Сиднее люди живут «вверх ногами»: странно, но правда. Мы привыкли к этому факту, который теперь кажется нормальным и разумным. Это структура пространства и времени, и она именно такова.

Рис. 3.3. Относительность одновременности

Из сказанного следует, что бессмысленно говорить о событии на Марсе, что оно происходит «прямо сейчас», просто потому, что никакого «прямо сейчас» не существует (рис. 3.3.)[51].

Если выражаться более строго, то Эйнштейн понял, что не существует «абсолютной одновременности»: во Вселенной нет такого множества событий, которые происходят «сейчас». Совокупность всех событий во Вселенной нельзя описать как последовательность моментальных «сейчас» – настоящих, следующих одно за другим; она имеет более сложную структуру, показанную на рис. 3.2. Мы видим там то, что в физике называют пространством-временем – это набор всех прошлых и будущих событий, но также и тех, которые «ни в прошлом, ни в будущем»; последние не образуют единого мгновения: у них самих есть длительность.

Для галактики Андромеды длительность этого расширенного настоящего по отношению к нам составляет два миллиона лет. Все, что происходит в течение этих двух миллионов лет, не является ни прошлым, ни будущим по отношению к нам. Если бы дружественная высокоразвитая цивилизация в Андромеде решила отправить к нам с визитом эскадру звездолетов, то не было бы смысла спрашивать, эскадра «сейчас» уже вылетела или еще нет. Единственный осмысленный вопрос: когда мы получим первый сигнал от этой эскадры? Начиная с этого момента, но не ранее, отправление эскадры оказывается в нашем прошлом.

Открытие такой структуры пространства-времени, сделанное молодым Эйнштейном в 1905 году, имело серьезные последствия. Тот факт, что пространство и время тесно связаны между собой, как показано на рис. 3.2, потребовал тонкой реструктуризации ньютоновской механики, которую Эйнштейн быстро осуществил в 1905 и 1906 годах. Первый результат этой реструктуризации состоит в том, что пространство и время сплавляются в единую концепцию пространства-времени, а электрическое и магнитное поля аналогичным образом сплавляются в единую сущность, которую сегодня мы называем электромагнитным полем. Сложные уравнения, записанные Максвеллом для двух полей, значительно упрощаются, когда переформулируются на этом новом языке.

Есть еще один вывод этой теории, который влечет за собой очень серьезные последствия. В новой механике концепции энергии и массы объединяются и сплавляются воедино, подобно тому как объединились время и пространство, электрическое и магнитное поля. До 1905 года незыблемыми считались два общих принципа – сохранения массы и сохранения энергии. Первый из них был всесторонне проверен химиками: масса никогда не меняется в химических реакциях. Второй – сохранение энергии – непосредственно вытекал из уравнений Ньютона и рассматривался как один из самых бесспорных законов. Однако Эйнштейн понимает, что энергия и масса – это две грани одной сущности, подобно тому как электрическое и магнитное поля – это две стороны одного и того же поля, а пространство и время – две грани одной сущности, пространства-времени. Это означает, что масса сама по себе не сохраняется и энергия – как ее воспринимали в то время – тоже не является независимо сохраняющейся величиной. Они могут превращаться друг в друга: существует только один закон сохранения, а не два. Сохраняется сумма массы и энергии, но не каждая из них по отдельности. Должны существовать процессы, которые преобразуют энергию в массу, а массу – в энергию.

Несложный расчет показал Эйнштейну, как много энергии получается при преобразовании одного грамма массы. Результат выражается знаменитой формулой E = mc^2. Поскольку скорость света c – это очень большая величина, а c^2 – еще большая, энергия, получаемая из одного грамма массы, колоссальна. Это энергия миллионов одномоментно взорвавшихся бомб: ее достаточно, чтобы месяцами освещать город и питать промышленность страны или, напротив, чтобы в одну секунду уничтожить сотни тысяч человеческих жизней в таком городе, как Хиросима.

Теоретические рассуждения молодого Эйнштейна перенесли человечество в новую эру – эру ядерной энергии, новых возможностей и новых опасностей. Сегодня благодаря интеллекту этого молодого бунтаря, не выносившего жестких правил, мы получили средства, способные обеспечить светом жилища 10 миллиардов людей, которые вскоре будут населять нашу планету, средства для космических путешествий к другим звездам, а также средства, позволяющие уничтожить друг друга и разрушить планету. Все зависит от нашего выбора: каких лидеров мы призовем принимать для нас решения.

Сегодня структура пространства-времени, предложенная Эйнштейном, хорошо понята и многократно проверена в лабораториях, она считается надежно установленной. Время и пространство – не такие, какими они представлялись со времен Ньютона. Пространство не существует независимо от времени. В расширенном пространстве (рис. 3.2) нет какого-то выделенного среза, который с бо́льшим основанием, чем другие, можно было бы назвать «пространство сейчас». Наше интуитивное представление о настоящем как о единстве всех событий, происходящих «сейчас» во Вселенной, – это результат нашей слепоты, нашей неспособности воспринимать малые временные интервалы. Это необоснованная экстраполяция нашего ограниченного опыта.

Представление о настоящем, подобно представлению о плоской Земле, является иллюзией. Мы представляли себе Землю плоской в силу ограниченности наших чувств, поскольку мы не могли видеть намного дальше своего носа. Если бы мы жили на астероиде диаметром несколько километров, как планета Маленького Принца, мы легко представили бы себе, что находимся на сфере. Если бы наш мозг и наши органы чувств давали нам более точное восприятие и мы легко воспринимали бы наносекундные отрезки времени, нам никогда бы не пришло в голову, что «настоящее» простирается повсюду. Мы бы свободно воспринимали существование промежуточной зоны между прошлым и будущим. Мы бы хорошо понимали, что слова «здесь и сейчас» имеют смысл, но слово «сейчас», обозначающее события, «происходящие в данный момент» по всей Вселенной, не имеет смысла. Оно подобно вопросу о том, находится наша Галактика «выше или ниже» галактики в Андромеде, не имеет смысла, поскольку понятия «выше» и «ниже» наделены смыслом только на поверхности Земли, а не в космосе. Во Вселенной нет «верха» и «низа». И аналогичным образом два события в ней далеко не всегда связаны отношениями «до» или «после». Получившуюся в результате структуру из сплетенных между собой пространства и времени, как это изображено на рис. 3.2 и 3.3, физики называют пространством-временем (рис. 3.4).

Когда журнал Annalen der Physik опубликовал статью Эйнштейна, внезапно прояснившую все эти вопросы, это произвело грандиозное впечатление на физическое сообщество. Явные противоречия между уравнениями Максвелла и ньютоновской физикой были хорошо известны, но никто не знал, как их разрешить. Эйнштейновское решение, поразительное и чрезвычайно элегантное, стало для всех неожиданностью. Рассказывают, как в тускло освещенных старых залах Краковского университета строгий профессор физики, оторвавшись от своих занятий, потрясал эйнштейновской статьей и кричал: «Родился новый Архимед!»

Рис. 3.4. Из чего состоит мир?

Но, несмотря на бурную реакцию, спровоцированную прорывом, который совершил Эйнштейн в 1905 году, мы еще не добрались до его подлинного шедевра. Триумфом Эйнштейна стала его вторая теория относительности – общая теория относительности, опубликованная десятью годами позднее, когда ему было тридцать пять.

Теория «общей относительности» – это самая красивая теория, порожденная физикой, и первый столп квантовой гравитации. Она является стержневой темой для всей этой книги. Именно здесь начинается подлинная магия физики XX века.

Самая красивая из всех теорий

После публикации специальной теории относительности Эйнштейн становится знаменитым физиком и получает приглашения на работу от множества университетов. Но его продолжает кое-что беспокоить: специальная теория относительности не согласуется с тем, что известно о гравитации. Он понимает это в ходе написания обзора своей теории и задумывается, не следует ли пересмотреть общепризнанную теорию всемирного тяготения, созданную отцом физики Ньютоном, чтобы добиться совместимости с его теорией относительности?

Источник проблемы понять нетрудно. Ньютон хотел объяснить, почему предметы падают, а планеты вращаются по орбитам. Он придумал «силу», которая притягивает все тела друг к другу, – силу гравитации. Но каким образом этой силе удается воздействовать на удаленные предметы, когда между ними ничего нет, было непонятно. Сам Ньютон, как мы видели, подозревал, что в этой идее силы, действующей между далекими телами без соприкосновения, чего-то не хватает и что для притяжения Луны Землей между ними должно быть нечто, передающее эту силу. Два столетия спустя Фарадей нашел решение, правда, не для силы гравитации, а для электрических и магнитных сил – поле. Электрические и магнитные силы «переносятся» электрическими и магнитными полями.

На этой стадии любому рациональному человеку было очевидно, что сила гравитации тоже должна иметь свои фарадеевы линии. Также по аналогии было очевидно, что сила притяжения между Солнцем и Землей или между Землей и падающим предметом должна быть приписана полю – в данном случае гравитационному полю. Ответ на вопрос о том, что переносит силу, найденный Фарадеем и Максвеллом, очевидно, должен применяться не только к электричеству, но также и к гравитации. Должно существовать гравитационное поле, а уравнения, аналогичные максвелловским, должны описывать, как движутся фарадеевы гравитационные линии. В первые годы XX века все это было ясно любому достаточно последовательному человеку; иначе говоря, это было ясно только Альберту Эйнштейну.

Эйнштейн, которого с юности восхищало электромагнитное поле, толкавшее роторы на электростанциях его отца, начал задумываться о гравитационном поле и искать уравнения, которые могли бы его описать. Он полностью погрузился в эту проблему. На то, чтобы решить ее, ушло десять лет. Десять лет упорных исследований, попыток, ошибок, недоразумений, блестящих идей, неверных допущений, статей с некорректными уравнениями, новых ошибок, стресса. Наконец, в 1915 году он отправил в печать статью, содержащую исчерпывающее решение, которое он назвал общей теорией относительности, – свой шедевр. Лев Ландау, самый блестящий физик-теоретик Советского Союза, называл ее «самой красивой из всех существующих физических теорий».

Нетрудно понять, почему эта теория столь красива. Вместо простого изобретения математической формы для гравитационного поля и поиска искусственных уравнений для него Эйнштейн обращается к другому нерешенному вопросу, лежащему в самой глубине ньютоновской теории, и объединяет две проблемы.

Ньютон вернулся к демокритовской идее, согласно которой тела движутся в пространстве. Это пространство должно быть большим пустым вместилищем, «жесткой коробкой» для Вселенной, колоссальной сценой, на которой объекты движутся по прямым линиям, пока силы не вынудят их отклониться. Но из чего состоит само это пространство, которое содержит мир? Что есть пространство?

Идея пространства кажется нам естественной, но исключительно благодаря знакомству с ньютоновской физикой. Если задуматься, то пустое пространство не является частью нашего опыта. От Аристотеля до Декарта, то есть на протяжении двух тысячелетий, демокритовская идея пространства как особой сущности, отличной от вещей, вовсе не казалась разумной. И для Аристотеля, и для Декарта вещи имеют протяженность: протяженность – это свойство вещей, но протяженность не существует без чего-то протяженного. Я могу вылить воду из стакана, но тогда его заполнит воздух. Доводилось ли вам видеть по-настоящему пустой стакан?

Если между двумя вещами находится ничто, значит, заключает Аристотель, там нет ничего. Каким образом там может быть одновременно и нечто (пространство), и ничто? Что есть пустое пространство, внутри которого движутся частицы? Это нечто или ничто? Если это ничто, то оно не существует, и мы можем без него обойтись. Если это нечто, то может ли быть так, что его единственное свойство – ничего не делать?

С античных времен идея пустого пространства, находящегося на полпути между вещью и невещью, беспокоила философов. Сам Демокрит, сделавший пустое пространство основой своего мира, где движутся атомы, тоже, конечно, был далек от полной ясности по этому вопросу. Он писал, что пустое пространство – это нечто «между бытием и небытием»: «Демокрит… считал первоначалами полное и пустое, называя одно “существующим”, а другое “несуществующим”», – пишет Симпликий[52]. Атомы – это существующее. Пространство – «несуществующее», которое, тем не менее, существует. Трудно высказаться более неопределенно.

Ньютон, реанимировавший демокритовскую идею пространства, пытался исправить положение, утверждая, что пространство – это сенсориум Бога. Никто никогда не понимал, что подразумевал Ньютон под «сенсориумом Бога», – возможно, и сам Ньютон тоже. И конечно, Эйнштейн, считавший идею Бога (с сенсориумом или без него) полезной лишь в качестве шутливого риторического приема, находил ньютоновское объяснение природы пространства крайне неубедительным.

Ньютон прикладывал значительные усилия к тому, чтобы преодолеть сопротивление ученых и философов реанимируемой им демокритовской концепции пространства, но поначалу никто не хотел воспринимать его всерьез. Лишь поразительная эффективность его уравнений, с помощью которых, как оказалось, всегда можно делать корректные предсказания, положила конец глухому недовольству. Тем не менее сомнения в правдоподобности ньютоновского представления о пространстве остались, и Эйнштейн, который читал труды философов, хорошо об этом знал. Концептуальные трудности ньютоновской идеи пространства подчеркивал Эрнст Мах, философ, влияние которого Эйнштейн открыто признавал, – тот самый Мах, который не верил в существование атомов. (Между прочим, это хороший пример того, как один и тот же человек может проявлять близорукость в одном отношении и прозорливость в другом.)

Таким образом, Эйнштейн взялся не за одну, а сразу за две проблемы. Первая: как описывать гравитационное поле? Вторая: что такое ньютоновское пространство?

И тут Эйнштейну пришла в голову гениальная идея – это был один из величайших взлетов мысли в истории: а что, если гравитационное поле в действительности и есть загадочное ньютоновское пространство? Что, если ньютоновское пространство не что иное, как гравитационное поле? Эта чрезвычайно простая, красивая, блестящая идея и составляет суть общей теории относительности.

Состав мира – это не пространство + частицы + электромагнитное поле + гравитационное поле. Состав мира – это просто частицы + поля и ничего больше; нет необходимости добавлять пространство в качестве отдельного ингредиента. Ньютоновское пространство – это гравитационное поле. Или наоборот (что не меняет смысла): гравитационное поле – это пространство (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Из чего состоит мир?

Но в отличие от ньютоновского пространства, плоского и неподвижного, гравитационное поле, в силу того что оно является полем, есть нечто движущееся и колеблющееся в соответствии со своими уравнениями подобно максвелловскому полю и фарадеевым линиям.

Картина мира радикально упрощается. Пространство больше не отличается от материи. Это одна из материальных составляющих мира подобно электромагнитному полю. Это реальная сущность, которая колеблется, флуктуирует, гнется и мнется.

Рис. 3.6. Земля обращается вокруг Солнца, потому что пространство-время вокруг Солнца искривлено, она подобна горошине, которая кружится в воронке

Мы больше не привязаны к невидимым жестким подмосткам – мы погружены в тело гигантского гибкого моллюска (метафора Эйнштейна). Солнце искривляет пространство вокруг себя, а Земля не обращается вокруг него под влиянием таинственной действующей на расстоянии силы, а движется прямо по покатому пространству. Она подобна горошине, которая кружится в воронке: нет никакой загадочный силы, создаваемой центром воронки, просто кривизна стенок заставляет горошину двигаться по окружности. Планеты обращаются вокруг Солнца, а вещи падают, поскольку пространство вокруг них искривлено (рис. 3.6).

Если быть немного точнее, то искривляется не пространство, а пространство-время – то самое пространство-время, которое, как десятью годами ранее показал сам Эйнштейн, представляет собой единую структуру, а не последовательность мгновений.

Такова идея. Единственной задачей Эйнштейна было найти уравнения, которые придадут ей прочность. Как описать это искривляющееся пространство-время? И здесь Эйнштейну повезло: проблема уже была решена математиками.

Величайший математик XIX столетия Карл Фридрих Гаусс, которого называли королем математиков, разработал метод математического описания искривленных поверхностей – холмистых ландшафтов вроде тех, что изображены на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Искривленная (двумерная) поверхность

Затем он попросил одного своего талантливого студента обобщить этот подход на искривленные пространства в трех и более измерениях. Этот студент, Бернхард Риман, подготовил обширную диссертацию, которая казалась совершенно бесполезной.

Полученный Риманом результат заключался в том, что свойства искривленного пространства (или пространства-времени) любой размерности описываются определенным математическим объектом, который мы сегодня называем римановской кривизной и обозначаем буквой R. Если представить себе равнинный, холмистый и горный ландшафты, то кривизна R поверхности равна нулю на равнинах, которые являются плоскими («без кривизны»), и отлична от нуля на холмах и в долинах; она достигает максимума на острых горных пиках, то есть там, где поверхность дальше всего от плоской, сильнее всего искривлена. С помощью римановской теории можно описывать форму кривых поверхностей в трех или четырех измерениях.

С огромным трудом, обращаясь за помощью к друзьям, лучше разбирающимся в математике, Эйнштейн освоил теорию Римана и записал уравнение, в котором кривизна R пропорциональна энергии материи. В словесной форме это уравнение можно выразить так: пространство-время сильнее искривляется там, где находится материя. И всё. Это уравнение аналогично уравнениям Максвелла, но применительно к гравитации, а не к электричеству. Оно занимает полстроки, и ничего больше не требуется. Образное представление об искривленном пространстве выражается в этом уравнении.

Внутри этого уравнения заключена целая текучая вселенная. В нем магическая сила теории раскрывается в фантасмагорическом ряду предсказаний, напоминающих бредовые видения сумасшедшего, которые, однако, оказываются истиной. Вплоть до самого начала 1980-х годов почти никто не принимал всерьез большую часть этих фантастических предсказаний. И все же, одно за другим, они подтверждались на опыте. Рассмотрим некоторые из них.

Для начала Эйнштейн вычисляет влияние массы, такой как Солнце, на кривизну окружающего пространства, а затем влияние этой кривизны на движение планет. Он находит, что движение планет соответствует предсказаниям уравнений Кеплера и Ньютона, но не совсем точно: вблизи Солнца влияние кривизны пространства сильнее, чем действие ньютоновской силы. Эйнштейн рассчитывает движение Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, для которой расхождение между его теорией и теорией Ньютона должно быть наибольшим, и находит различие: ближайшая к Солнцу точка орбиты Меркурия смещается каждый год на 0,43 секунды дуги больше, чем предсказывает теория Ньютона. Это очень маленькое различие, но астрономы могли его измерить, и результат сравнения предсказаний с астрономическими наблюдениями был однозначен: Меркурий движется по траектории, предсказанной Эйнштейном, а не Ньютоном. Меркурий, быстроногий посланец богов в крылатых сандалиях, следует за Эйнштейном, а не за Ньютоном.

Таким образом, уравнение Эйнштейна описывает, как искривляется пространство в непосредственной близости от звезды. Из-за этой кривизны свет отклоняется от своей траектории. Эйнштейн предсказывает, что Солнце вызывает искривление проходящего рядом с ним света. В 1919 году производится измерение; полученная величина отклонения света в точности соответствует предсказанию.

Однако искривляется не только пространство, но также и время. Эйнштейн предсказывает, что на Земле время течет быстрее на большей высоте и медленнее – на меньшей. Производится измерение, которое подтверждает этот факт. Сегодня во многих лабораториях есть чрезвычайно точные часы, и этот странный эффект может быть измерен даже для разницы высот всего в несколько сантиметров. Поместите одни часы на пол, а другие на стол, и те, что на полу, покажут, что прошло меньше времени, чем на столе. Почему? Потому что время не универсально и однозначно, оно способно растягиваться и сжиматься под влиянием близко расположенных масс. Земля, как и любая масса, искривляет пространство-время, замедляя течение времени в окружающем ее пространстве. Два близнеца, один из которых живет на уровне моря, а другой в горах, при встрече обнаружат, что один из них старше другого, хотя и совсем ненамного (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Двое близнецов провели жизнь в разных местах: один на уровне моря, а другой – в горах. Когда они встретились, тот, кто жил в горах, оказался старше. Так проявляется гравитационное растяжение времени

Этот эффект дает интересное объяснение падению предметов. Если нарисовать на карте мира маршрут, по которому самолет летит из Рима в Нью-Йорк, он не будет выглядеть прямым: самолет описывает дугу, отклоняясь к северу. Почему? Поскольку поверхность Земли искривлена, путь, отклоняющийся к северу, короче, чем проложенный вдоль параллели. Расстояние между меридианами тем меньше, чем севернее вы находитесь; поэтому для сокращения пути лучше отклониться к северу (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Чем севернее вы находитесь, тем меньше расстояние между двумя меридианами

Так вот, верите вы в это или нет, но брошенный вверх мяч падает вниз по той же самой причине: он «выигрывает время», двигаясь вверх, поскольку время течет там с другой скоростью. В обоих случаях аэроплан и мяч следуют по прямым траекториям в искривленном пространстве (или пространстве-времени) (рис. 3.10)[53].

Рис. 3.10. Чем выше находится предмет, тем быстрее течет для него время

Однако предсказания теории идут гораздо дальше этих незначительных эффектов. Звезды горят столько времени, на сколько хватает им запасов водорода – их топлива, затем они умирают. Оставшееся вещество больше не поддерживается тепловым давлением и коллапсирует под собственным весом. Когда это происходит с достаточно большой звездой, вес оказывается так велик, что материя сжимается до колоссальной плотности, а пространство искривляется настолько сильно, что в нем образуется настоящая дыра. Черная дыра.

Когда я был студентом университета, черные дыры рассматривались как маловероятные следствия экзотической теории. Сегодня они наблюдаются сотнями и подробно изучаются астрономами. Одна из таких черных дыр с массой в миллион раз больше Солнечной системы расположена в центре нашей Галактики. Мы наблюдаем звезды, обращающиеся вокруг нее.

Некоторые из них, проходя слишком близко, разрушаются ее страшной гравитацией.

Далее, теория предсказывает, что пространство покрыто рябью подобно поверхности моря и что волны этой ряби подобны электромагнитным волнам, которые сделали возможным телевидение. Эффекты, связанные с этими гравитационными волнами, можно наблюдать в небе на двойных звездах: они испускают такие волны, теряя энергию и медленно падая друг на друга[54]. Гравитационные волны, порожденные двумя падающими друг на друга черными дырами, непосредственно наблюдались с помощью антенны, установленной на земле в конце 2015 года. Об этом объявили в начале 2016 года, и мир вновь был ошеломлен. Еще раз безумное, казалось бы, предсказание теории Эйнштейна оказалось безупречно точным.

И это еще не всё: теория говорит, что Вселенная расширяется и возникла в космическом взрыве 14 миллиардов лет назад – об этом я вскоре расскажу подробнее.

Этот богатый и сложный набор явлений: отклонение лучей света, модификация ньютоновской силы, замедление часов, черные дыры, гравитационные волны, расширение Вселенной, Большой взрыв – вытекает из понимания того, что пространство – это не скучное неподвижное вместилище; оно обладает собственной динамикой и собственной физикой подобно материи и другим полям, которые в нем содержатся. Сам Демокрит непременно обрадовался бы, узнай он, что его идею пространства ждет такое впечатляющее будущее. Да, он называл его несуществующим, но то, что он считал существующим (δέν), было материей; и он писал, что это его «несуществующее», пустота, тем не менее «имеет некоторую природу (ϕύσιν) и самостоятельное бытие»[55]. Насколько же он был прав!

Без понятия поля, введенного Фарадеем, без впечатляющей силы математики, без геометрии Гаусса и Римана эта «некоторая собственная физика» так и оставалась бы непроясненной. Вооружившись новыми концептуальными средствами и математикой, Эйнштейн записал уравнения, которые описывают демокритовскую пустоту, и обнаружил, что ее «некоторая собственная физика» – это красочный и удивительный мир, где вселенные взрываются, пространство коллапсирует в бездонные дыры, время замедляется вблизи планет, а неограниченно расширяющееся межзвездное пространство волнуется и колышется, как поверхность моря…

Всё это звучит как история, рассказанная безумцем, как пустые слова, которые ничего не значат. И всё же это – взгляд на реальность. Или лучше сказать, проблеск реальности, чуть менее смазанный, чем наш мутный и банальный повседневный ее образ. Реальность, которая кажется сделанной из той же ткани, что наши сны[56], но которая, тем не менее, более реальна, чем наши туманные фантазии.

И всё это – результат одной элементарной догадки о том, что пространство-время и гравитационное поле есть одно и то же, и одного простого уравнения, которое я обязан здесь воспроизвести, хотя большинство моих читателей, конечно, не сможет его расшифровать. Тем не менее я делаю это в надежде на то, что читатели смогут уловить отблеск его великолепной простоты:

Rab – 1/2gab + Λgab = 8πGTab.

В 1915 году изображение было еще проще, поскольку не было члена +Λgab, который Эйнштейн добавил двумя годами позже (и который я объясняю далее)[57]. Rab зависит от римановской кривизны и вместе с 1/2gab представляет кривизну пространства-времени; Tab означает энергию материи; G – та же константа, что и у Ньютона: постоянная, определяющая силу гравитационного взаимодействия.

Вот и всё. Идея и уравнение.

Математика или физика?

Прежде чем продолжить говорить о физике, я хотел бы сделать несколько замечаний о математике. Эйнштейн не был великим математиком. Он сам признавал, что испытывает трудности с математикой. В 1943 году он так ответил на вопрос девятилетней девочки по имени Барбара, которая написала ему о своих трудностях с этим предметом: «Не беспокойся о трудностях, возникающих с математикой, я могу тебя заверить, что мои собственные проблемы [с ней] еще серьезнее!»[58] Это кажется шуткой, но Эйнштейн не шутил. С математикой ему требовалась помощь и разъяснения терпеливых однокурсников и друзей, таких как Марсель Гроссман. Феноменальной была именно его интуиция как физика.

В тот год, когда Эйнштейн завершал создание своей теории, он обнаружил, что соперничает с Давидом Гильбертом, одним из величайших математиков всех времен. По приглашению Гильберта Эйнштейн прочел лекцию в Гёттингене. Гильберт мгновенно понял, что Эйнштейн находится на пороге большого открытия, ухватил основную идею и попытался обойти Эйнштейна, чтобы первым записать правильные уравнения новой теории, над которой Эйнштейн работал достаточно медленно. Финишный рывок двух гигантов мысли был захватывающим состязанием, и на завершающей стадии счет шел буквально на дни. Эйнштейн в этот период выступал с публичными лекциями в Берлине почти каждую неделю и каждый раз представлял новое уравнение, волнуясь, как бы Гильберт не получил решение раньше. Но каждый раз уравнение оказывалось неверным. Пока, наконец, Эйнштейн не нашел правильное уравнение, лишь чисто символически опередив Гильберта. Но все же именно он выиграл эту гонку.

Гильберт как джентльмен никогда не ставил под вопрос победу Эйнштейна, хотя сам работал тогда над очень похожими уравнениями. Ему принадлежит мягкое и красивое высказывание, которое очень точно характеризует сложные отношение Эйнштейна с математикой и, возможно, сложные отношения между физикой и математикой в целом. Необходимым для построения теории относительности разделом математики была геометрия четырехмерного пространства, и Гильберт писал:

Любой подросток на улицах Гёттингена[59] понимает геометрию четырехмерного пространства лучше Эйнштейна. Но именно Эйнштейн смог решить задачу.

Почему? Потому что Эйнштейн обладал уникальной способностью представлять себе, как устроен мир, «видеть» его мысленным взором. Уравнения приходили к нему позже; они были языком, с помощью которого он переносил свои образы в реальность. Для Эйнштейна общая теория относительности не набор уравнений, это мысленный образ мира, с большим трудом переведенный на язык уравнений.

Главная идея теории состоит в том, что пространство-время искривляется. Если бы пространство-время имело только два измерения и мы жили бы на некоем подобии плоскости, то было бы нетрудно представить себе, что означают слова «физическое пространство искривляется». Это означало бы, что физическое пространство, в котором мы живем, не такое, как плоский стол, а напоминает поверхность с горами и долинами. Но мир, в котором мы обитаем, имеет не два измерения, а три. На самом деле даже четыре, если учитывать время. Представить себе искривленное пространство в четырех измерениях намного труднее, поскольку наше обыденное восприятие не создает у нас интуитивного ощущения объемлющего пространства, внутри которого искривляется пространство-время. Однако воображение Эйнштейна не испытывало трудности с интуитивным восприятием космического моллюска, в тело которого все мы погружены и который может сжиматься, растягиваться и перекручиваться, порождая пространство вокруг нас. Именно благодаря ясности этого образа Эйнштейн смог первым сформулировать свою теорию.

В самом конце между Гильбертом и Эйнштейном возникло некоторое напряжение. За несколько дней до того, как Эйнштейн опубликовал свое правильное уравнение, Гильберт отправил в журнал статью, в которой показывал, как близко он подошел к тому же решению. По сей день историки науки испытывают сомнения, оценивая соотношение вкладов этих двух гигантов. В какой-то момент их отношения охладились, Эйнштейн боялся, что Гильберт, который был старше и опытнее, станет приписывать себе основные заслуги в создании теории. Однако Гильберт никогда не говорил, что первым открыл общую теорию относительности, и в научном мире, где часто (даже слишком часто) возникают губительные споры о приоритете, эти двое дают поистине замечательный пример мудрости, очищающей научное поле от ненужного напряжения.

Эйнштейн пишет Гильберту замечательное письмо, в котором выражает глубокие чувства по поводу совместно пройденного пути:

Между нами было известное расстройство отношений, причины которого я не хочу анализировать. Я боролся с чувством горечи, вызванным этим, и притом с полным успехом. Я снова думаю о Вас с безмятежной приветливостью и прошу Вас думать обо мне так же. Действительно жаль, когда два настоящих парня, которые как-то вырвались из этого жалкого мира, не доставляют друг другу радости[60].

Космос

Спустя два года после публикации своих уравнений Эйнштейн решает использовать их для описания пространства всей Вселенной, рассматриваемой в крупном масштабе. И здесь появляется еще одна из его замечательных идей.

Тысячи лет человек задавался вопросом: бесконечна Вселенная или у нее есть предел? Обе гипотезы влекут за собой серьезные проблемы. Бесконечность Вселенной, похоже, не выдерживает следующего рассуждения: если она бесконечна, значит, где-то должен существовать, например, читатель, абсолютно такой же, как вы, который читает эту же самую книгу (бесконечность поистине огромна, и не существует такого числа комбинаций атомов, чтобы заполнить ее объектами, всегда отличающимися друг от друга). Фактически должен существовать не один такой читатель, а бесконечное множество… Но если у Вселенной есть предел, то что же представляет собой ее граница? Как можно придать смысл границе, по другую сторону которой ничего нет? Еще в VI веке философ-пифагореец Архит Тарентский писал:

Окажись я на самом дальнем небе, на сфере неподвижных звезд, смог бы я протянуть за нее руку или палку? Нелепо думать, будто это должно быть невозможно; но если я могу это сделать, то существует нечто вовне, будь то материя или пространство. И так можно продолжать все дальше и дальше, постоянно задаваясь вопросом: всегда ли будет нечто, куда можно протянуть палку[61].

Кажется, что эти две абсурдные альтернативы – абсурд бесконечного пространства и абсурд Вселенной с фиксированной границей – не оставляет места для разумного выбора между ними.

Однако Эйнштейн находит третий путь: Вселенная может быть конечной и в то же время не иметь границы. Каким образом? Точно так же, как поверхность Земли не бесконечна, но не имеет границы, где бы она «кончалась». Подобное естественным образом происходит с искривленными вещами: поверхность Земли искривлена. И в общей теории относительности трехмерное пространство, конечно, может быть искривленным. Следовательно, наша Вселенная может быть конечной, но безграничной.

Если я буду все время идти по прямой линии на поверхности Земли, я не буду бесконечно удаляться, а в конце концов вернусь в ту точку, откуда вышел. Наша Вселенная может быть устроена подобным же образом: если я сяду на звездолет и буду все время лететь в одном направлении, я облечу Вселенную и в конце концов вернусь обратно на Землю. Трехмерное пространство такого типа – конечное, но безграничное – называется 3-сферой.

Для понимания геометрии 3-сферы обратимся к обычной сфере – поверхности мяча или Земли. Для изображения поверхности Земли на плоскости можно нарисовать два круга, как это обычно делают в случае карты мира (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Сферу можно изобразить в виде двух кругов, которые в действительности гладко соединяются друг с другом вдоль своих краев

Обратите внимание, что житель Южного полушария в некотором смысле окружен Северным полушарием, поскольку, в каком бы направлении ни покинул он свое полушарие, в результате он всегда попадет в другое. Но верно и обратное: каждое из полушарий окружает другое и окружено другим. Аналогичным образом можно представить себе и 3-сферу, но она рассматривается и в дополнительном измерении: два шара соединены друг с другом по всем своим границам (рис. 3.12).

Рис. 3.12. 3-сферу можно представить в виде двух шаров, соединенных друг с другом

Покидая один шар, мы вступаем в другой, точно так же как, покидая один круг карты мира, мы попадаем в другой. Каждый из шаров окружает другой и окружен им. Идея Эйнштейна состоит в том, что пространство может быть 3-сферой – иметь конечный объем (равный сумме объемов двух шаров), но не иметь границ[62]. В своей работе 1917 года Эйнштейн предложил 3-сферу в качестве решения проблемы границы Вселенной. С этой статьи начинается современная космология, изучение всей видимой Вселенной, рассматриваемой в самом крупном масштабе. Она порождает открытие расширения Вселенной, теорию Большого взрыва, проблему рождения Вселенной и еще много чего другого. Я подробнее расскажу обо всем этом в главе 8.

Есть еще одно замечание, которое я бы хотел сделать относительно эйнштейновской 3-сферы. Может показаться невероятным, но эта идея уже была предложена другим гением из совершенно иной культурной вселенной – великим итальянским поэтом Данте Алигьери. В «Рае», третьей части своей главной поэмы «Божественная комедия», Данте рисует величественный образ средневекового мира, уподобленный миру Аристотеля, со сферической Землей в центре, окруженной небесными сферами (рис. 3.13).

В сопровождении своей сияющей возлюбленной Беатриче, Данте в ходе фантастического мысленного путешествия поднимается по этим сферам до самой внешней сферы. Достигнув ее, он созерцает под собой мир с его вращающимися небесами и Землей далеко внизу в самом центре. Но затем он смотрит вверх – и что же он видит? Он видит светящуюся точку, окруженную огромными сферами ангелов, иными словами – другую колоссальную сферу, которая, по его словам, «окружает и в то же время окружена» сферой нашей Вселенной! Здесь в строках XXVII песни «Рая» он пишет: “Questa altre parte dell’Universo d’un cerchio lui comprende si come questo li altri”[63], а затем в XXX песни повторяет о последней точке: “parendo inchiuso da quell ch’elli inchiude”[64]. Точка света и сфера ангелов окружают Вселенную, и в тоже время они окружены Вселенной! Это точное описание 3-сферы![65]

Рис. 3.13. Традиционное представление Вселенной Данте

Американский математик Марк Петерсон в 1979 году первым заметил, что «Рай» описывает Вселенную как 3-сферу. В целом исследователи творчества Данте не очень хорошо знакомы с 3-сферами. Однако любой современный физик или математик легко распознает 3-сферу в дантовском описании Вселенной.

Каким образом Данте могла прийти в голову идея, звучащая столь современно? Я думаю, это в первую очередь отражение глубочайшего интеллекта великого итальянского поэта. Именно его ум делает «Божественную комедию» такой восхитительной. Но также это связано с тем, что Данте писал задолго до того, как Ньютон убедил всех, что бесконечное пространство космоса имеет плоскую евклидову геометрию. Данте был свободен от ограничений, наложенных на нашу интуицию в результате ньютонианского обучения.

Научная культура Данте основывалась главным образом на поучениях его наставника Брунетто Латини, от которого до нас дошел небольшой очаровательный трактат «Li tresor», своего рода энциклопедия средневекового знания, написанная на дивной смеси старофранцузского и итальянского. В «Li tresor» Брунетто подробно объясняет, почему Земля является круглой.

Но он делает это странным для современного читателя способом – в категориях «внутренней», а не «внешней» геометрии. То есть он не пишет, что Земля похожа на апельсин, не говорит, как она выглядит, если смотреть на неё извне, а объясняет ее форму так: «Два рыцаря, которые достаточно далеко проскачут в противоположных направлениях, встретятся на противоположной стороне». И так: «Если бы не мешали моря, человек, начавший идти в одну сторону, вернулся бы в ту же точку Земли, откуда вышел». Иными словами, он использует внутреннюю, а не внешнюю точку зрения – с позиции того, кто идет по Земле, а не того, кто смотрит на нее со стороны. На первый взгляд, это может показаться бессмысленным, усложненным способом объяснения того, что Земля является шаром. Почему Брунетто просто не говорит, что Земля похожа на апельсин? Но с другой стороны, если мы скажем, что муравей ползет по апельсину, то в какой-то момент он окажется в перевернутом положении и должен будет удерживаться крошечными присосками на ногах, чтобы не упасть. Однако путешественник, идущий по Земле, никогда не оказывается в перевернутом положении и не нуждается в присосках на ногах. Так что описание Брунетто на самом деле не такое уж странное.

Теперь задумайтесь над этим. Некто узнал от своего учителя, что форма поверхности нашей планеты такова, что, двигаясь все время по прямой линии, мы возвращаемся в точку, откуда вышли. Вероятно, не так уж трудно сделать следующий очевидный вывод и осознать, что форма всей Вселенной такова, что, двигаясь все время по прямой линии, мы вернемся в ту же точку, из которой отправились: 3-сфера – это пространство, в котором «два крылатых рыцаря, способных лететь в противоположных направлениях, встретятся на противоположной стороне». Выражаясь более формально, описание геометрии Земли, предложенное Брунетто Латини в «Li tresor», дано в терминах внутренней геометрии (рассматриваемой изнутри), а не внешней (рассматриваемой снаружи), и это как раз такое описание, которое подходит для обобщения понятия сферы с двух измерений на три. Лучший способ описания 3-сферы – это не пытаться «увидеть ее снаружи», а описывать то, что происходит, когда вы движетесь внутри нее.

Метод, разработанный Гауссом для описания кривых поверхностей и обобщенный Риманом для описания искривления пространства в трех и более измерениях, в основе своей следует пути Брунетто Латини. Идея, можно сказать, состоит в том, чтобы описывать кривизну пространства не как «видимую со стороны», говоря, как оно искривляется во внешнем пространстве, а в тех понятиях, которые может воспринимать наблюдатель, находящийся внутри этого пространства и способный двигаться, всегда оставаясь в нем самом. Например, обычная сфера, как заметил Брунетто, – это такая поверхность, где все «прямые» линии возвращаются к исходной точке, пройдя одно и то же расстояние (длину экватора). 3-сфера – это трехмерное пространство, обладающее таким же свойством.

Эйнштейновское пространство-время искривлено не в том смысле, что оно изогнуто «во внешнем пространстве». Оно искривлено в том смысле, что его внутренняя геометрия, то есть сеть расстояний между его точками, которые можно измерять, оставаясь внутри него, не соответствует геометрии плоского пространства. Это пространство, где неверна теорема Пифагора точно так же, как она неверна на поверхности Земли[66].

Существует важный для понимания дальнейшего изложения способ убедиться в кривизне пространства изнутри него, не пытаясь взглянуть на него извне. Представьте себе, что вы находитесь на Северном полюсе и идете на юг, пока не достигнете экватора. При этом вы несете с собой стрелку, которая показывает вперед. Дойдя до экватора, вы поворачиваете налево, не меняя направление стрелки. Она по-прежнему показывает на юг, который теперь находится для вас справа. Пройдите немного на восток вдоль экватора, а затем поверните обратно на север, опять не меняя направление стрелки, которая теперь будет показывать назад. Когда вы вернетесь на Северный полюс, ваш маршрут замкнется, образовав петлю, но стрелка уже не будет показывать в том же направлении, что и при старте (рис. 3.14). Угол, на который повернулась стрелка при обходе петли, служит мерой кривизны.

Я еще вернусь к данному методу измерения кривизны с помощью петель в пространстве. Это будут петли, которые дали название теории петлевой квантовой гравитации.

Данте покидает Флоренцию в 1301 году, когда завершается изготовление мозаики купола Флорентийского баптистерия. Мозаика, изображавшая ад (работы Коппо ди Марковальдо, учителя Чимабуэ), вероятно, устрашавшая средневековых людей, часто упоминается как источник вдохновения Данте (рис. 3.15).

Я посетил баптистерий вскоре после начала работы над этой книгой в компании Эммануэлы Минней, которая убедила меня ее написать. Войдя в баптистерий и посмотрев вверх, я увидел сияющую точку света (свет исходит от фонаря на вершине купола), окруженную девятью ангельскими чинами с названиями, подписанными в следующем порядке: ангелы, архангелы, начала, власти, силы, господства, престолы, херувимы, серафимы. Это в точности соответствует структуре второй сферы рая. Вообразите себя муравьем на полу баптистерия, способным ползти в любую сторону; независимо от того, в каком направлении карабкаться по стене, вы достигнете потолка в одной и той же точке света, окруженной ангелами: точка света и ее ангелы одновременно окружают и окружены всем остальным убранством баптистерия (рис. 3.16).

Рис. 3.14. Стрелка, сохраняющая параллельность самой себе при переносе вдоль замкнутого маршрута (петли), в искривленном пространстве возвращается к точке отправления повернутой

Рис. 3.15. Мозаика, изображающая ад, работы Коппо ди Марковальдо во Флорентийском баптистерии

Как и все жители Флоренции конца XIII века, Данте должен был быть преисполнен благоговейного трепета перед баптистерием, грандиозным архитектурным сооружением, возведенным его городом. Я думаю, что он мог вдохновляться баптистерием в своем видении космоса, причем не только «Адом» Коппо ди Марковальдо, но и всей архитектурой. «Рай» воспроизводит структуру баптистерия с замечательной точностью, включая девять кругов ангелов и точку света, только переносит ее из двух измерений в три. Описав сферическую Вселенную Аристотеля, Брунетто уже отмечает, что за ней лежит территория божественного, а средневековая иконография уже изображала рай как Бога, окруженного сферами ангелов. В конечном счете, Данте не более чем собрал все эти существовавшие фрагменты в согласованное архитектурное целое, следуя впечатляющей архитектуре баптистерия, и разрешил древнюю проблему границ Вселенной. Сделав это, Данте на шесть столетий опередил эйнштейновскую 3-сферу.

Рис. 3.16. Интерьер баптистерия

Я не знаю, сталкивался ли молодой Эйнштейн с «Раем» во время своих интеллектуальных странствий по Италии и оказало ли живое воображение итальянского поэта прямое влияние на его догадку о том, что Вселенная может быть одновременно конечной и безграничной. Но, независимо от возможности такого влияния, я считаю, что этот пример демонстрирует, как великая наука и великая поэзия способны давать нестандартный взгляд на вещи и даже приводить к одним и тем же догадкам. В нашей культуре наука и поэзия по какому-то недоразумению разделены, а ведь они обе открывают нам глаза на сложность и красоту мира.

Дантовская 3-сфера – это лишь образ из фантазии. Эйнштейновская 3-сфера имеет математическую форму и вытекает из уравнений теории. Влияние этих идей различно. Данте глубоко затрагивает источники наших эмоций. Эйнштейн открывает путь к нерешенным загадкам нашей Вселенной. Но каждый из них являет собой пример самого красивого и значительного полета человеческой мысли.

Но вернемся в 1917 год, когда Эйнштейн пытается включить представление о 3-сфере в свои уравнения. Здесь он сталкивается с проблемой. Он убежден, что Вселенная статична и неизменна, но его уравнения говорят, что это невозможно. Нетрудно понять почему. Все притягивается, а значит, для конечной Вселенной единственный способ избежать коллапса – расширяться. Точно так же, как единственный способ для футбольного мяча избежать падения на землю – получить удар, направленный вверх. Он либо летит вверх, либо падает вниз – он не может оставаться неподвижным, зависнув в воздухе.

Однако Эйнштейн не верит в то, что говорят ему собственные уравнения. Он даже допускает нелепую физическую ошибку (не понимает, что предложенное им решение является неустойчивым), лишь бы избежать принятия того, что предсказывает его теория: Вселенная либо сжимается, либо расширяется. Он модифицирует свои уравнения, пытаясь избежать вывода о расширении Вселенной. Именно с этой целью он добавляет в приведенное выше уравнение член Λgab. Но это новая ошибка: сам добавленный член корректен, но он не меняет того факта, что уравнение предсказывает расширение Вселенной. При всей смелости гению Эйнштейна не хватает храбрости поверить в собственные уравнения.

Спустя несколько лет Эйнштейн вынужден сдаться: верна его теория, а не его сомнения относительно нее. Астрономы обнаруживают, что все галактики действительно удаляются от нас – Вселенная расширяется, в точности как предсказывают уравнения. Около 14 миллиардов лет назад[67] Вселенная была сконцентрирована в одной безумно горячей точке. Из нее Вселенная расширилась в колоссальном космическом взрыве. И здесь слово «космический» употреблено не риторически, а в буквальном смысле – это взрыв самого космоса, Большой взрыв.

Сегодня мы знаем, что расширение Вселенной – реальность. Убедительное подтверждение сценария, предсказанного уравнениями Эйнштейна, было получено в 1964 году, когда двое американских радиоастрономов, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, случайно открыли излучение, заполняющее Вселенную; это излучение оказалось остатком того самого невероятного жара, который царил в молодой Вселенной. И снова теория оказалась верна в своих самых удивительных предсказаниях.

С тех пор как мы обнаружили, что Земля круглая и вертится, как безумный волчок, мы поняли, что реальность не такая, какой она окажется: всякий раз, когда мы схватываем новый ее аспект, мы испытываем глубокое эмоциональное переживание. Еще одна пелена спадает с наших глаз. Но шаг, сделанный Эйнштейном, беспрецедентен: пространство-время – это поле; мир состоит из полей и частиц; пространство и время – это не что-то иное, отличное от всей остальной природы, а просто одно из полей среди других (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Эйнштейновский мир: частицы и поля, которые движутся по другим полям

В 1953 году ученик начальной школы пишет Альберту Эйнштейну: «Наш класс изучает Вселенную. Меня очень интересует пространство. Я хотел бы поблагодарить Вас за все, что Вы сделали, чтобы мы могли его понять»[68].

Я полностью разделяю эти чувства.

4

Кванты

Трудно вообразить что-то более различающееся, чем два столпа физики XX столетия – общая теория относительности и квантовая механика. Теория относительности – это маленький драгоценный камень, ухваченный мыслью одного человека и основанный на соединении предшествующих теорий. Это простая и согласованная картина гравитации, пространства и времени. Квантовая механика, или квантовая теория, напротив, возникает из экспериментов в ходе долгого, четвертьвекового созревания, в которое многие внесли свой вклад; она демонстрирует беспрецедентный успех в эксперименте и ведет к практическим реализациям, которые меняют нашу повседневную жизнь (таким, например, как компьютер, за которым я это пишу); но даже спустя столетие после своего рождения она все еще окутана завесой неясности и непостижимости.

В этой главе описывается странная физика этой теории, рассказывается о том, как она появилась на свет и о трех аспектах реальности, которые она раскрыла: зернистости, неопределенности и реляционности.

Снова Альберт

Я говорил, что квантовая механика родилась в 1900 году, фактически возвестив начало столетия мозгового штурма. В 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался рассчитать количество электромагнитных волн, находящихся в равновесии с горячей оболочкой. Чтобы получить формулу, соответствующую экспериментальным результатам, он в конце концов использовал прием, который, казалось бы, не имел смысла: он предположил, что энергия электрического поля распространяется квантами, то есть маленькими пакетами, небольшими порциями энергии. Размер пакетов, согласно его предположению, зависит от частоты (то есть от цвета) электромагнитных волн. Для частоты ν каждый квант, или каждый пакет, обладает энергией

E = hν.

Это первая формула квантовой механики; буква h – это новая константа, которую сегодня мы называем постоянной Планка. Она определяет, сколько энергии содержится в каждом энергетическом пакете для излучения с частотой (цветом) ν. Постоянная h определяет масштаб всех квантовых явлений.

Мысль о том, что энергия может получаться сложением конечных пакетов, шла вразрез со всем, что было известно к тому времени: энергия рассматривалась как нечто, что может меняться непрерывным образом, и не было причины рассматривать ее как нечто сложенное из крупиц. Например, энергия маятника определяет амплитуду его колебаний. Не существует никаких причин, по которым маятник должен колебаться только с некоторыми определенными амплитудами, а не с другими. Для Макса Планка принятие конечного размера энергетических пакетов было лишь странным трюком, который, как оказалось, помог в вычислениях, то есть в воспроизведении результатов лабораторных измерений, но было совершенно непонятно, каким образом.

Спустя пять лет Альберт Эйнштейн – да, снова он – понял, что планковские пакеты энергии совершенно реальны. Это было темой третьей из тех статей, что он отправил в Annalen der Physik в 1905 году. И это подлинный год рождения квантовой теории.

В этой своей статье Эйнштейн показывает, что свет действительно состоит из крошечных зерен, частиц света. Он рассматривает недавно открытое явление – фотоэлектрический эффект. Есть вещества, которые порождают слабый электрический ток, когда на них падает свет. То есть под воздействием освещения они испускают электроны. Сегодня мы используем этот эффект, например, в фотоэлементах, которые открывают двери, когда мы к ним приближаемся, реагируя на изменения в потоке падающего на сенсор света. То, что это происходит, само по себе неудивительно, поскольку свет несет энергию (которая, например, согревает нас) и эта энергия заставляет электроны «спрыгивать» со своих атомов – она дает им необходимый для этого толчок.

Но вот что странно. Естественно было бы ожидать, что при малом количестве световой энергии, то есть при тусклом освещении, это явление наблюдаться не будет, в отличие от ситуации, когда энергии достаточно, то есть свет яркий. Но на деле всё не так: явление наблюдается, только если частота света высокая, и не наблюдается, если частота низкая. Иначе говоря, оно зависит от цвета (частоты) излучения, а не от его интенсивности (энергии). Это совершенно невозможно понять на основе стандартной физики.

Эйнштейн использует планковскую идею о пакетах энергии с размером, зависящим от частоты, и понимает, что если эти пакеты реальны, то явление можно объяснить. Нетрудно понять как. Представьте, что свет приходит в форме частиц энергии. Электрон будет выбит из атома, если отдельная частица, ударяющая по нему, несет много энергии. Важна энергия каждой частицы, а не число этих частиц. Если, как предположил Планк, энергия каждой частицы определяется частотой, явление должно наблюдаться только при достаточно высокой частоте, то есть если отдельные частицы энергии достаточно велики, а от общего количества поступающей энергии оно зависеть не будет.

Это похоже на автомобиль под градом: будет ли он помят, зависит не от количества упавших градин, а от размера отдельных кусков льда. Может выпасть очень интенсивный град, но он не вызовет повреждений, если все градины будут малы. Аналогично, если свет интенсивный, то есть приходит большое количество световых пакетов, но отдельные частицы света слишком малы, то есть если частота света слишком низкая, электроны не будут извлекаться из своих атомов. Это объясняет, почему цвет, а не интенсивность света определяет, будет ли наблюдаться фотоэлектрический эффект. Это простое рассуждение принесло Эйнштейну Нобелевскую премию. Совсем не трудно понять вещи, которые кто-то уже увидел. Трудно увидеть их в первый раз.

Сегодня мы называем эти пакеты энергии фотонами – от греческого слова ϕώς, означающего «свет». Фотоны – это частицы света, его кванты. В своей статье Эйнштейн пишет:

Я и в самом деле думаю, что опыты, касающиеся «излучения черного тела», фотолюминесценции, возникновения катодных лучей при освещении ультрафиолетовыми лучами и других групп явлений, связанных с возникновением и превращением света, лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно. Согласно этому сделанному здесь предположению, энергия пучка света, вышедшего из некоторой точки, не распределяется непрерывно во все возрастающем объеме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком[69].

Эти простые и ясные строки – подлинное свидетельство рождения квантовой теории. Обратите внимание на замечательные вступительные слова: «Я и в самом деле думаю…», которые напоминают сомнения Фарадея или Ньютона или же неуверенность Дарвина, выраженную на первых страницах «Происхождения видов». Подлинные гении понимают исключительную важность совершаемых ими шагов и всегда сомневаются…

Есть очевидная связь между двумя работами Эйнштейна, написанными в 1905 году, – статьей по броуновскому движению (обсуждалась в главе 1) и статьей о квантах света. В первой Эйнштейн нашел способ продемонстрировать корректность атомной гипотезы, утверждающей зернистое строение материи. В другой статье Эйнштейн распространил эту гипотезу на свет: он тоже должен иметь зернистую структуру.

Поначалу идея Эйнштейна о том, что свет может состоять из фотонов, воспринималась коллегами не иначе как ошибка молодости. Все хвалили его за теорию относительности, но считали идею фотона нелепой. Лишь незадолго до того ученые пришли к твердому убеждению, что свет представляет собой волны электромагнитного поля, – как же он может быть зернистым? В письме на имя германского министра с рекомендацией предоставить Эйнштейну профессуру в Берлине самые выдающиеся физики того времени пишут, что этот молодой человек столь ярок, что ему «можно простить» некоторые чудачества, как, например, идею фотонов. Спустя несколько лет те же самые коллеги присудят ему Нобелевскую премию именно за догадку о существовании фотонов. Падающий на поверхность свет действительно напоминает легкий дождь с градом.

Для понимания того, каким образом свет может быть электромагнитной волной и одновременно роем фотонов, требовалось все здание квантовой механики. Однако первый кирпич в основание этой теории уже был заложен: всем вещам, включая свет, присуща фундаментальная зернистость.

Нильс, Вернер и Поль

Если Планк – биологический отец квантовой теории, то Эйнштейн – ее родитель и кормилец. Но, как это часто бывает с детьми, теория впоследствии пошла своим путем, который сам Эйнштейн признавать не хотел.

В течение двух первых десятилетий XX века развитие квантовой теории определял датчанин Нильс Бор. Он изучал строение атомов, которое начали исследовать на рубеже столетий. Эксперименты показывали, что атом подобен Солнечной системе в миниатюре: масса сконцентрирована в тяжелом центральном ядре, а вокруг него обращаются легкие электроны, примерно как планеты вокруг Солнца. Эта картина, однако, не соответствовала простому факту: вещество имеет цвет.

Соль белая, перец черный, чили красный. Почему? Изучение света, испускаемого атомами, показало, что разным веществам соответствуют разные цвета. Если цвет соответствует частоте света, значит, разные вещества испускают свет со своими определенными частотами. Набор этих частот, характеризующий данное вещество, называется спектром этого вещества. Спектр – это совокупность линий различных оттенков, на которые раскладывается (например, с помощью призмы) испускаемый данным веществом свет. Спектры некоторых элементов представлены на рис. 4.2.

Рис. 4.1. Нильс Бор

Рис. 4.2. Спектры некоторых элементов: натрия, ртути, лития и водорода

В начале века во многих лабораториях изучались и каталогизировались спектры множества веществ, но никто не знал, как объяснить, почему конкретное вещество имеет тот или иной спектр. Чем определяются цвета всех этих линий?

Цвет – это скорость, с которой вибрируют фарадеевы линии, а эта скорость определяется колебаниями электрических зарядов, которые испускают свет. Эти заряды представляют собой электроны, которые движутся внутри атомов. Поэтому, изучая спектры, мы можем понять, как движутся электроны вокруг ядер. Другой путь состоит в том, чтобы предсказать спектр каждого атома, вычислив частоты электронов, обращающихся вокруг его ядра. Это легко сказать, но сделать на практике никому не удавалось. На самом деле все это вообще казалось невозможным, поскольку в ньютоновской механике электрон мог обращаться вокруг своего ядра с любой скоростью, а значит, испускать свет любой частоты. Но почему тогда испускаемый атомом свет содержит не все цвета, а только некоторые из них? Почему атомные спектры представляют собой не сплошные цветные полоски, а состоят из отдельных линий? Почему, выражаясь научно, они дискретны, а не непрерывны? Десятки лет физики никак не могли найти ответ на этот вопрос.

Бор находит умозрительное решение, применив одну странную гипотезу. Он приходит к выводу, что все можно объяснить, если предположить, что энергия электронов в атомах может принимать только определенные квантованные значения, в точности как предполагали Планк и Эйнштейн для энергии квантов света. И вновь ключом оказывается зернистость, но теперь не для энергии света, а для энергии электронов в атоме. Постепенно становится очевидным, что зернистость – это что-то широко распространенное в природе.

Бор выдвигает гипотезу, что электроны могут существовать только на определенных особых расстояниях от ядра, то есть на определенных орбитах, размеры которых определяются постоянной Планка h, а также что электроны могут перескакивать с одной орбиты с разрешенной энергией на другую. Это и есть знаменитые квантовые скачки. Частота движения электрона по этим орбитам определяет частоту испускаемого света и, следовательно, поскольку разрешены только некоторые орбиты, испускаться могут только определенные частоты.

Эти гипотезы определяют боровскую модель атома, столетие которой отмечалось в 2013 году. С этими допущениями (нелепыми, но простыми) Бору удается вычислить спектры всех атомов и даже точно предсказать спектры, которые еще не наблюдались[70]. Экспериментальный успех этой простой модели был потрясающим.

Ясно, что за этими предположениями должна стоять некая истина, даже если они вступают в противоречие со всеми современными представлениями о материи и динамике. Но почему допустимы только некоторые орбиты? И что подразумевается, когда говорят, что электрон совершает скачок?

В институте Бора в Копенгагене собираются самые блестящие молодые умы столетия, чтобы разобраться в этих непонятных и беспорядочных повадках атомного мира и построить согласованную теорию. Но исследования идут очень медленно и тяжело, пока молодой немецкий физик не находит ключ к тайнам квантового мира.

Вернеру Гейзенбергу было 25 лет, когда он записал уравнения квантовой механики, – столько же, сколько Эйнштейну, когда он опубликовал три свои знаменитые статьи. Гейзенбергу удалось достичь успеха, опираясь на совершенно головокружительные идеи.

Догадка пришла к нему однажды ночью в парке, возле Копенгагенского института физики. Молодой Вернер задумчиво прогуливался по парку. Там было очень темно – ведь это был 1925 год. Лишь редкие уличные фонари создавали небольшие островки тусклого света посреди ночного мрака. Эти пятна света разделялись большими участками темноты. Внезапно Гейзенберг увидел прохожего. На самом деле он не видел, как тот подошел: он заметил его, когда тот оказался под фонарем, а затем вновь исчез в темноте, чтобы появиться под следующим фонарем и вновь исчезнуть. И так далее – от одного пятна света к следующему, пока он окончательно не растворился в ночи. Гейзенберг подумал, что в действительности этот человек не исчезал и не появлялся, ведь очевидно, что мысленно легко реконструировать путь прохожего от одного фонаря к другому. В конце концов, человек – это довольно солидный объект, крупный и тяжелый, а крупные и тяжелые объекты просто так не появляются и не исчезают.

Рис. 4.3. Вернер Гейзенберг

Вот оно что! Эти объекты – солидные, крупные и тяжелые – не исчезают и не появляются… Но что мы знаем об электронах? Это было подобно вспышке в мозгу. Почему маленькие объекты, такие как электроны, должны вести себя так же? Что, если в действительности электроны могут исчезать и вновь появляться? Что, если в этом состоит загадка квантовых скачков, которые, похоже, предопределяют строение атомных спектров? Что, если между одним взаимодействием с чем-то и другим взаимодействием электрон в буквальном смысле находится нигде?

Не может ли электрон оказаться чем-то таким, что проявляется лишь во время взаимодействия, когда он сталкивается с другим объектом, и что не имеет точного положения в интервале между двумя взаимодействиями? Что, если свойство всегда иметь определенное положение приобретается лишь вещами достаточно солидными – крупными и тяжелыми, как человек, который недавно прошел мимо подобно призраку в темноте, а затем растворился в ночи?..

Пожалуй, только в самом начале своей научной карьеры можно принимать всерьез столь бредовые предположения. Вам должно быть немногим за двадцать, чтобы верить в то, что они могут превратиться в новую всеобъемлющую теорию. И возможно, вам нужно быть таким молодым, чтобы первым и лучше всех остальных понять глубинную структуру природы. Эйнштейн в том же возрасте понял, что время не для всех течет одинаково, и с Гейзенбергом в ту ночь в Копенгагене случилось нечто подобное. Вероятно, после тридцати настолько доверять своей интуиции уже не стоит…

Гейзенберг возвращается домой в невероятном эмоциональном возбуждении и погружается в вычисления. Спустя некоторое время он выныривает с новой, приводящий в замешательство теорией – фундаментальным описанием движения частиц, в котором они характеризуются не своим положением в каждый момент времени, но лишь положениями в определенные мгновения, когда они взаимодействуют с чем-то другим.

Это второй краеугольный камень квантовой механики и самый сложный для понимания – реляционный аспект вещей. Электроны существуют не всегда. Они существуют, лишь когда взаимодействуют. Они материализуются в том месте, где сталкиваются с чем-то другим. Квантовые скачки с одной орбиты на другую – это их способ реального существования: электрон – это совокупность скачков от одного взаимодействия до другого. Когда ничто его не возмущает, электрон не находится ни в каком определенном месте. Вместо того чтобы записывать положение и скорость электрона, Гейзенберг записывает таблицы из чисел (матрицы). Он умножает и делит таблицы чисел, представляющие возможные взаимодействия электрона. И словно на волшебных счетах мага, результат получается в точности соответствующим наблюдениям. Это первые фундаментальные уравнения квантовой механики. С того момента эти уравнения будут только работать, работать и работать. По сей день поразительным образом они ни разу не дали сбоя.

И наконец, еще один двадцатипятилетний исследователь, который подхватил работу, начатую Гейзенбергом, принял из его рук новую теорию и сконструировал для нее целостный формальный и математический каркас – англичанин Поль Адриен Морис Дирак, которого многие считают величайшим после Эйнштейна физиком XX столетия.

Несмотря на свою роль в науке, Дирак гораздо менее известен, чем Эйнштейн. Это отчасти связано с высочайшей абстрактностью его науки, отчасти с его странным характером. Незаметный в компании, крайне замкнутый, неспособный выражать эмоции, часто не узнающий в лицо знакомых, не умеющий даже поддержать обычный разговор или, как могло показаться, не понимающий простых вопросов, он фактически выглядел аутистом, и возможно, действительно страдал подобного рода расстройством.

Во время одной из его лекций коллега сказал ему: «Я не понимаю этой формулы». Сделав короткую паузу, Дирак продолжил, никак не отреагировав. Модератор прервал его, спросив, может ли он ответить на вопрос. Дирак, искренне удивившись, возразил: «Вопрос? Какой вопрос? Мой коллега сделал утверждение». Таков был характерный для него крайний педантизм. Это не было высокомерием: человек, способный открывать ускользающие от всех остальных секреты природы, может не улавливать неявные смыслы языковых конструкций, воспринимая лишь их буквальный смысл[71]. И все же в его руках квантовая механика превратилась из запутанных догадок, полузаконченных вычислений, туманных метафизических дискуссий и хорошо работающих, но необъяснимых уравнений в прекрасное архитектурное сооружение – воздушное, простое и невероятно красивое. Красивые, но высочайшего стратосферного уровня абстракции.

Досточтимый Бор сказал о нем: «Из всех физиков у Дирака самая чистая душа». И разве это не видно по его глазам (рис. 4.4)?

Рис. 4.4. Поль Дирак

Его физика обладает девственной чистотой песни. Для него мир состоит не из вещей, а из абстрактных математических структур, которые показывают нам, как вещи выглядят и каково их поведение, когда они себя проявляют. Это магическая встреча логики и интуиции. Глубоко впечатленный Эйнштейн заметил: «Дирак представляет для меня проблему. Сохранять равновесие на этом головокружительном пути между гениальностью и безумием – пугающее предприятие».

Квантовая механика Дирака – это математическая теория, используемая сегодня любым инженером, химиком или молекулярным биологом. В ней каждый объект определен абстрактным пространством[72] и сам по себе не имеет никаких свойств, кроме неизменных, таких как масса. Его положение и скорость, угловой момент и электрический потенциал и т. п. обретают реальность только тогда, когда он сталкивается – взаимодействует – с другим объектом. Неопределенно не только его положение, о чем догадался Гейзенберг, – ни одна из переменных не определена для объекта между двумя его последовательными взаимодействиями. Этот реляционный аспект теории становится универсальным.

Когда электрон внезапно появляется в процессе взаимодействия с другим объектом, физические переменные (скорость, энергия, импульс, угловой момент) не принимают произвольные значения. Дирак дает универсальный рецепт, как вычислить набор значений, которые может принимать физическая переменная[73]. Эти значения аналогичны спектру света, испускаемого атомами. Сегодня мы называем набор конкретных значений, которые может принимать переменная, спектром этой переменной по аналогии со спектром, на который раскладываются составляющие света – первого проявления этого феномена. Например, радиус орбиталей для электрона, находящегося вблизи ядра, может принимать только конкретные значения, включенные Бором в свою гипотезу, которые называются спектром радиуса.

Теория также дает информацию о том, какое значение спектра проявит себя в следующем взаимодействии, но лишь в форме вероятностей. Мы не знаем с уверенностью, где окажется электрон, но мы можем вычислить вероятность того, что он появится в том или ином месте. Это радикальное изменение по сравнению с теорией Ньютона, которая, в принципе, допускала возможность предсказывать будущее с полной уверенностью. Квантовая механика привносит вероятность в самое сердце эволюции всех вещей. Эта неопределенность – третий краеугольный камень квантовой механики: открытие того, что вероятность работает на атомном уровне. В то время как ньютоновская физика позволяет с полной определенностью предсказывать будущее, если мы располагаем достаточной информацией о начальном состоянии и можем выполнить необходимые вычисления, то квантовая механика позволяет нам вычислить лишь вероятность события. Это отсутствие детерминизма на малых масштабах – неотъемлемое свойство природы. Природа не обязывает электрон двигаться вправо или влево; он делает это случайно. Видимый детерминизм макроскопического мира связан только с тем фактом, что микроскопические случайности в среднем гасят друг друга, оставляя лишь флуктуации, слишком малые для нашего восприятия в повседневной жизни.

Таким образом, дираковская квантовая механика предоставляет нам две возможности. Во-первых, мы можем вычислить, какие значения способна принимать физическая переменная. Это называется вычислением спектра физической переменной; здесь проявляется зернистая природа вещей. Когда объект (атом, электромагнитное поле, молекула, маятник, камень, звезда и т. д.) взаимодействует с другим объектом, полученные числа – это те значения, которые могут иметь переменные при взаимодействии (реляционность). Во-вторых, квантовая механика Дирака позволяет нам вычислить вероятности того, что переменная примет то или иное значение при следующем взаимодействии. Это называется вычислением амплитуды перехода. Вероятность выражает третью особенность теории – неопределенность – тот факт, что теория дает не однозначные предсказания, а лишь вероятностные.

Такова квантовая механика Дирака – рецепт для вычисления спектров переменных и рецепт для вычисления вероятности, с которой то или иное значение из этого спектра появится при взаимодействии. Вот и всё. Происходящее от одного взаимодействия до другого в теории не упоминается. Его просто не существует.

Вероятность обнаружить электрон или любую другую частицу в той или иной точке можно представлять себе как диффузное облако, которое плотнее там, где вероятность увидеть частицу выше. Иногда полезно визуализировать такое облако, как если бы оно было реальной вещью. Например, облако, которое представляет электрон, находящийся внутри ядра, указывает, где электрон с большей вероятностью появится, если мы будем за ним следить. Возможно, вы встречались с этими изображениями в школе – это так называемые атомные орбитали[74].

Теория вскоре продемонстрировала свою экстраординарную эффективность. Если сегодня мы создаем компьютеры, располагаем высокоразвитой молекулярной химией и биологией, лазерами и полупроводниками, то всё это благодаря квантовой механике. Несколько десятилетий подряд у физиков словно каждый день было Рождество: все новые и новые задачи получали ответы, вытекающие из уравнений квантовой механики, и всякий раз это были правильные ответы. Достаточно привести один пример.

Окружающая нас материя состоит из тысяч различных веществ. В течение XIX–XX веков химики поняли, что все эти вещества – лишь сочетание относительно небольшого числа (менее сотни) простых элементов: водорода, гелия, кислорода и так далее, до урана. Менделеев упорядочил все элементы (согласно их весу) в знаменитой периодической таблице, висящей на стене во многих школьных классах. Она кратко характеризует свойства элементов, из которых состоит мир не только на Земле, но и во всех галактиках Вселенной. Почему именно эти конкретные элементы? Чем объясняется периодическая структура этой таблицы? Почему каждый элемент имеет именно такие свойства, а не другие? Почему, например, некоторые элементы легко соединяются между собой, а другие нет? В чем секрет своеобразной структуры таблицы Менделеева?

Рис. 4.5. Свет – это волны поля, но он также имеет и зернистую структуру

Ну что ж, возьмем уравнение квантовой механики, которое определяет форму электронных орбиталей. Это уравнение имеет определенный набор решений, и эти решения как раз соответствуют водороду, гелию, кислороду… и всем прочим элементам! Периодическая таблица Менделеева упорядочена в точном соответствии с набором этих решений. Свойства элементов и иные закономерности вытекают из решения этих уравнений. Квантовая механика блестяще расшифровывает секрет строения периодической таблицы элементов.

Нашла свое воплощение древняя мечта Пифагора и Платона: все вещества мира описываются одной формулой. Бесконечная сложность химии охватывается решениями единственного уравнения! И это лишь одно из приложений квантовой механики.

Поля и частицы – одно и то же

Вскоре после завершения общей формулировки квантовой механики Дирак понимает, что эта теория может быть непосредственно применена к полям, таким как электромагнитное, и ее можно сделать совместимой со специальной теорией относительности. (Добиться совместимости с общей теории относительности окажется значительно труднее, и это главная тема нашей книги.) Осознав это, Дирак открывает глубокую скрытую простоту нашего описания природы – конвергенцию между понятием частицы, которое использовал Ньютон, и понятием поля, которое ввел Фарадей.

Облако вероятности, соответствующее электрону в интервале от одного взаимодействия до другого, напоминает поле. Поля Фарадея и Максвелла, в свою очередь, состоят из крупиц – фотонов. Не только частицы в некотором смысле размазаны по пространству как поля, но и поля взаимодействуют как частицы. Понятия полей и частиц, разделенные Фарадеем и Максвеллом, вновь сливаются в квантовой механике.

Способ, которым это делается в теории, весьма элегантен: уравнения Дирака определяют значения, которые может принимать переменная. Будучи применены к энергии фарадеевых линий, они говорят нам, что эта энергия может иметь одни значения, но не другие. Поскольку энергия электромагнитного поля принимает лишь определенные значения, поле ведет себя как набор пакетов энергии. Это как раз и есть кванты энергии, введенные в рассмотрение Планком и Эйнштейном тридцатью годами ранее. Круг замкнулся, история закончена. Уравнения теории, выведенные Дираком, описывают зернистую природу света, о которой догадались Планк и Эйнштейн.

Электромагнитные волны – это вибрации фарадеевых линий, но также, в микроскопическом масштабе, стаи фотонов. Когда они взаимодействуют с чем-то другим, как при фотоэлектрическом эффекте, они ведут себя как частицы: для нашего глаза свет подобен дождю из отдельных капель, единичных фотонов. Фотоны – это кванты электромагнитного поля.

Но электроны и все остальные частицы, из которых состоит мир, точно так же являются квантами поля. И этому «квантовому полю», как и полю Фарадея – Максвелла, присущи зернистость и квантовая вероятность. Дирак выводит уравнение для поля электронов и других элементарных частиц[75]. Введенное Фарадеем четкое разделение между полями и частицами исчезает.

Общая форма квантовой теории, совместимая со специальной теорией относительности, называется квантовой теорией поля, и она составляет основу современной физики элементарных частиц. Частицы – это кванты поля, так же как фотоны – кванты света. Все поля при взаимодействии демонстрируют зернистую структуру.

В течение XX столетия список фундаментальных полей неоднократно обновлялся, и сегодня мы располагаем теорией, которая называется Стандартной моделью элементарных частиц и описывает почти всё, что мы видим, за исключением гравитации[76] в контексте квантовой теории поля. Выработка этой модели заняла у физиков большую часть прошлого века, и это было замечательное приключение, полное открытий. Я не буду подробно останавливаться на этом, а предпочту сосредоточиться на квантовой гравитации. Стандартная модель была завершена к 1970-м годам. Существует около пятнадцати полей, кванты которых являются элементарными частицами (это электроны, кварки, мюоны, нейтрино, бозоны Хиггса и кое-что еще), плюс несколько полей, подобных электромагнитному, которые описывают электромагнитное взаимодействие и другие силы, действующие в ядерных масштабах, кванты которых подобны фотонам.

Поначалу Стандартную модель не воспринимали слишком серьезно, поскольку она в каком-то смысле была слеплена на коленке и сильно отличалась от воздушной простоты уравнений общей теории относительности Максвелла и Дирака. Вопреки ожиданиям, однако, все ее предсказания подтвердились. В течение более чем 30 лет буквально каждый эксперимент в области физики элементарных частиц не приносил ничего, кроме очередного подтверждения Стандартной модели. Самое свежее ее подтверждение – открытие бозона Хиггса, которое стало сенсацией в 2013 году. Поле Хиггса, введенное для того чтобы добиться согласованности теории, было до некоторой степени искусственной придумкой, пока не удалось экспериментально пронаблюдать бозон Хиггса, квант этого поля, и не оказалось, что он имеет в точности те свойства, которые предсказывались Стандартной моделью[77]. (То, что его стали называть частицей Бога, настолько недостойно, что даже не заслуживает комментария.) Короче, несмотря на незаслуженно скромное название, Стандартная модель – это триумф физики.

Квантовая механика с ее полями и частицами предлагает сегодня поразительно эффективное описание природы. Мир состоит не из полей и частиц, но из единственной сущности – квантового поля. Больше нет частиц, которые движутся в пространстве с течением времени, но есть квантовые поля, элементарные события которых происходят в пространстве-времени. Наш мир странный, но простой (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Из чего состоит мир?

Кванты 1: информация конечна

Пришло время сделать некоторые выводы о том, что в точности говорит нам о мире квантовая механика. Это непростая задача, поскольку идеи квантовой механики не вполне прозрачны и ее подлинный смысл остается спорным, однако это необходимо, чтобы добиться ясности и двигаться дальше. Я считаю, что квантовая механика раскрывает три аспекта природы вещей: зернистость, неопределенность и реляционную структуру мира. Рассмотрим каждый из них более подробно.

Первый аспект состоит в существовании у природы фундаментальной зернистости. Зернистость вещества и света лежит в основе квантовой теории. Это, однако, не та зернистость, о которой догадывался Демокрит. Для Демокрита атомы были сродни маленьким камешкам, тогда как частицы в квантовой механике исчезают и возникают снова. И все же ключевая идея принципиальной зернистости мира прослеживается в древнем атомизме, а квантовая механика, усиленная столетиями экспериментов и мощной математической базой и обладающая поразительной способностью делать корректные предсказания, – это подлинное признание глубоких прозрений о природе вещей великого философа из Абдеры.

Допустим, мы производим измерение над физической системой и обнаруживаем ее в определенном состоянии. Например, мы измеряем амплитуду колебаний маятника и видим, что она имеет определенное значение, скажем, где-то между пятью и шестью сантиметрами (в физике не бывает абсолютно точных измерений). До появления квантовой механики мы бы сказали, что поскольку существует бесконечное число возможных значений между пятью и шестью сантиметрами (например, 5,1, 5,101, 5,101001…), имеется бесконечное число возможных состояний движения, в которых может пребывать маятник: степень нашего незнания о его состоянии остается бесконечной.

Напротив, квантовая механика говорит нам, что между пятью и шестью сантиметрами существует лишь конечное число возможных значений амплитуды, а значит, отсутствующая у нас информация о маятнике конечна.

Это распространяется на все возможные случаи[78]. Поэтому первый смысл квантовой механики состоит в существовании ограничения на информацию, которая может содержаться внутри системы, – ограничения на число различных состояний, в которых система может находиться. Это ограничение бесконечности составляет первый аспект теории – зернистость природы, замеченную еще Демокритом. Постоянная Планка h служит мерой масштаба этой зернистости.

Кванты 2: неопределенность

Мир – это последовательность зернистых квантовых событий. Они дискретны, зернисты и индивидуальны; это отдельные взаимодействия одной физической системы с другой. Электрон, квант поля или фотон не следуют по траекториям в пространстве, но появляются в определенном месте и в определенное время, чтобы столкнуться с другим объектом. Когда и где они появляются? Не существует способа узнать это наверняка. Квантовая механика кладет в основу мира фундаментальную неопределенность. Будущее принципиально непредсказуемо. Это второй фундаментальный урок квантовой механики.

Из-за этой неопределенности в мире, описываемом квантовой механикой, вещи постоянно подвержены случайным изменениям. Все переменные непрерывно флуктуируют, как если бы в мельчайших масштабах всё постоянно вибрировало. Мы не видим этих вездесущих флуктуаций лишь из-за малости их масштаба; в крупном масштабе, когда мы следим за макроскопическими телами, они ненаблюдаемы. Если смотреть на камень, он останется неподвижным. Но если бы мы могли видеть его атомы, то наблюдали бы, как они безостановочно вибрируют, постоянно смещаясь то туда, то сюда. Квантовая механика говорит нам, что чем глубже мы вглядываемся в детали мира, тем менее постоянными они оказываются. Мир не состоит из крошечных камешков. Это мир вибраций и непрерывных флуктуаций, кишащий быстротечными микрособытиями.

Античный атомизм предвидел и этот аспект современной физики – проявление на глубинном уровне законов вероятности. Демокрит (как и Ньютон) предполагает, что движение атомов строго детерминировано столкновениями. Но его последователь Эпикур исправляет этот детерминизм учителя и вводит в атомизм представление о неопределенности таким же способом, каким Гейзенберг ввел неопределенность в ньютоновский детерминизм. По Эпикуру, атомы могут иногда случайно отклоняться от своего курса. Лукреций поэтично описывает эти отклонения как происходящие «incerto tempore… incertisque loci» – в неопределенное время, в неопределенном месте[79]. Такая же случайность, такое же проявление вероятности на фундаментальном уровне представляют собой второе ключевое открытие, касающееся свойств нашего мира, которое выражает квантовая механика.

Итак, как вычислить вероятность того, что электрон, находившийся в определенной начальной позиции A, спустя заданное время вновь возникнет в той или иной финальной позиции B?

В 1950-х годах Ричард Фейнман, о котором я уже упоминал, нашел весьма интересный метод выполнения таких вычислений: рассмотрим все возможные траектории от A до B, то есть все мыслимые траектории, которым может следовать электрон, – прямые, искривленные, зигзагообразные… Каждая траектория определяет некоторое число. Вероятность получается путем суммирования всех этих чисел. Подробности вычислений несущественны, зато важен тот факт, что все траектории от A до B дают свой вклад, как будто электрон, чтобы попасть из A в B, проходит по всем возможным путям, или, иными словами, превращается в облако, чтобы затем загадочным образом собраться в точке B, где он вновь с чем-то сталкивается (рис. 4.7).

Рис. 4.7. При перемещении из точки A в точку B электрон ведет себя так, как будто проходит по всем возможным траекториям

Этот прием вычисления вероятности квантового события называется фейнмановским суммированием по путям[80], и мы увидим, что он играет важную роль в квантовой гравитации.

Кванты 3: реальность реляционна

Третье открытие, касающееся нашего мира, выражаемое квантовой механикой, – самое глубокое и сложное, и его не предвидели античные атомисты.

Теория не описывает вещи такими, какие они есть, она описывает, как вещи проявляются и как они взаимодействуют друг с другом. Она описывает не то, где находится частица, но то, как частица проявляет себя по отношению к другим. Мир существующих вещей сокращается до мира возможных взаимодействий. Реальность редуцируется до взаимодействия[81].

В некотором смысле это лишь расширение относительности, хотя и весьма радикальное. Аристотель первым отметил, что мы воспринимаем лишь относительную скорость. На корабле, например, мы говорим о нашей скорости относительно корабля; на суше – относительно Земли. Галилей понял, что этим объясняется, почему мы не чувствуем движения Земли относительно Солнца. Скорость – это не свойство объекта самого по себе, это свойство движения объекта по отношению к другому объекту. Эйнштейн перенес понятие относительности на время: мы можем сказать, что два события одновременны, только относительно определенного состояния движения. Квантовая механика радикальным образом расширяет эту относительность: все переменные аспекты объекта существуют только в отношении к другим объектам. Природа рисует мир только с помощью взаимодействий.

В мире, описываемом квантовой механикой, не существует ничего реального, за исключением отношений между физическими системами. Не объекты входят в отношения, но отношения служат основанием для выделения объектов. Мир квантовой механики – это не мир объектов, это мир событий. Вещи построены из случающихся элементарных событий. В 1950-х годах философ Нельсон Гудман замечательно выразил эту идею словами: «Объект – это монотонный процесс». Камень – это вибрация квантов, сохраняющая во времени свою структуру, точно так же как морская волна сохраняет самотождественность, пока не рассеется в море.

Что есть волна, которая движется по воде, не перенося с собой ни единой капли? Волна не объект в том смысле, что она не состоит из материи, которая движется вместе с ней. Атомы нашего тела тоже входят в нас и покидают нас. Мы, как волны и как все объекты, – потоки событий; мы – процессы, монотонные в течение короткого времени…

Квантовая механика описывает не объекты: она описывает процессы, а также события, который служат точками соединения процессов.

Подводя итоги, скажем, что квантовая механика открыла три аспекта нашего мира.

• Зернистость. Информация, содержащаяся в состоянии системы, конечна и ограничена постоянной Планка.

• Неопределенность. Будущее не предопределено однозначно прошлым. Даже наиболее твердо установленные нами закономерности в основе своей статистические.

• Реляционность. События в природе – это всегда взаимодействия. Все события, случающиеся с системой, касаются отношений с другими системами.

Квантовая механика учит нас думать о мире не в терминах объектов, которые в нем есть, но в терминах процессов. Процесс – это переход от одного взаимодействия к другому. Свойства объектов проявляются в зернистости только в моменты взаимодействий, то есть на границах процессов, и потому лишь в отношениях с другими объектами. Их нельзя предсказать однозначным образом, но лишь вероятностно.

Это и есть головокружительное погружение в глубину природы вещей, предпринятое Бором, Гейзенбергом и Дираком.

Но есть ли у нас подлинное понимание?

Конечно, квантовая механика – это триумф эффективности. И всё же… уверены ли вы, дорогой читатель, в полном понимании того, что именно квантовая механика нам открывает? Электрон нигде не находится, когда он не взаимодействует… хм… объекты существуют, лишь прыгая от одного взаимодействия к другому… так-так… Не кажется ли все это слегка абсурдным?

Эйнштейну это казалось абсурдным.

С одной стороны, Эйнштейн номинировал Вернера Гейзенберга и Поля Дирака на Нобелевскую премию, признавая, что они поняли о нашем мире нечто фундаментально важное. С другой стороны, при любой возможности он ворчал, что эти идеи лишены смысла.

Молодые львы из Копенгагенской группы были в растерянности: как это может исходить от самого Эйнштейна? Их духовный отец, человек, которому хватило смелости думать о немыслимом, теперь тянул их назад, испуганный новыми шагами в неведомое – теми самыми шагами, к которым сам же и подтолкнул. Как могло случиться, что тот Эйнштейн, который научил нас, что время не универсально, а пространство искривляется, говорит теперь, что мир не может быть настолько странным?

Нильс Бор спокойно объяснял новые идеи Эйнштейну. Эйнштейн возражал. В итоге Бору всегда удавалось найти ответы на его возражения. Этот диалог продолжался годами – в лекциях, письмах, статьях… Эйнштейн придумывал мысленные эксперименты, стремясь показать, что новые идеи внутренне противоречивы. «Представьте себе заполненный светом ящик, из которого за короткое мгновенье мы позволяем вылететь одному фотону…» – так начинается один из самых знаменитых примеров (рис. 4.8.)[82].

Рис. 4.8. «Ящик со светом» из эйнштейновского мысленного эксперимента, нарисованный Бором

В ходе этого спора оба великих исследователя вынуждены были пересматривать свои идеи. Эйнштейну пришлось признать, что в новых идеях нет внутренних противоречий. Однако Бор был вынужден признать, что всё не так просто и ясно, как ему казалось. Эйнштейн не хотел отказываться от того, что казалось ему ключевым моментом, – представления о том, что существует объективная реальность, не зависящая от того, что с чем взаимодействует. Он отказывался признавать реляционный аспект теории, тот факт, что объекты проявляют себя только во взаимодействиях. Бор не желал уступать в вопросе о корректности того глубокого нового способа, которым понятие реального концептуализировалось в новой теории. В итоге Эйнштейн признал, что теория представляет собой огромный шаг вперед в понимании мира и что она логически последовательна. Но он остался при убеждении, что объекты не могут быть настолько странными, как утверждала эта теория, и что за ней должно стоять более глубокое и естественное объяснение.

Спустя столетие мы остаёмся на той же точке. Ричард Фейнман, который как никто другой умел проделывать трюки с теориями, писал: «Мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает»[83].

Уравнения этой теории и их следствия постоянно используются в самых разных областях – физиками, инженерами, химиками и биологами. Но они остаются загадочными: они описывают не сами физические системы, а лишь то, как физические системы взаимодействуют друг с другом и влияют друг на друга. Что это значит?

Физики и философы продолжают задаваться вопросом о реальном смысле этой теории, и в последние годы статей и конференций по этой теме становится всё больше. Что представляет собой квантовая теория спустя сто лет после своего рождения? Невероятное погружение в природу реальности? Недоразумение, работающее по чистой случайности? Часть недорешенной головоломки? Или указание на некие глубинные свойства нашего мира, которые мы еще не смогли до конца расшифровать?

Интерпретация квантовой механики, которую я здесь представляю, кажется мне одной из наименее естественных. Она называется реляционной интерпретацией и обсуждалась серьезными философами, такими как Бас ван Фраассен, Майкл Битбол и Мауро Дорато[84]. Однако консенсуса по вопросу об интерпретации квантовой механики нет: другие физики и философы обсуждают другие идеи. Мы стоим на границе известного, и здесь мнения расходятся.

Квантовая механика – это лишь физическая теория: возможно, завтра она будет скорректирована в результате понимания того, что мир устроен иначе, еще сложнее. Некоторые ученые сегодня пытаются немного пригладить ее, сделав более соответствующей нашей интуиции. На мой взгляд, ее поразительный эмпирический успех вынуждает нас принимать ее серьезно и ставить вопрос не о том, что можно изменить в этой теории, а о том, что ограничивает нашу интуицию и делает теорию странной для нас.

Думаю, что непонятность теории – это вина не квантовой механики, а скорее результат ограниченности нашего воображения. Когда мы пытаемся «увидеть» квантовый мир, мы подобны кротам, привыкшим жить под землей, которым кто-то пытается описать Гималаи. Или пленникам, заключенным в глубине платоновой пещеры.

Когда умер Эйнштейн, его величайший соперник Бор нашел слова, чтобы выразить свое восхищение им. Когда через несколько лет скончался сам Бор, кто-то сфотографировал его рабочую доску. На ней был рисунок. Он представлял «ящик со светом» из эйнштейновского мысленного эксперимента. До самого конца желать дискуссии, чтобы больше понять. До самого конца сомневаться.

Это постоянное сомнение – глубочайший источник науки.

Часть III

Квантовое пространство и реляционное время

Если вы дочитали до этого места, то у вас есть все элементы, необходимые для понимания достоинств, недостатков и ограничений современной картины мира, предлагаемой фундаментальной физикой.

Существует искривленное пространство-время, возникшее 14 миллиардов лет назад (никто не знает как) и продолжающее расширяться. Это пространство – реальный объект, физическое поле, динамика которого описывается уравнениями Эйнштейна. Пространство изгибается и искривляется под действием массы вещества и рвется, образуя черные дыры, когда концентрация материи слишком высока. Материя разделена на сотни миллиардов галактик, каждая из которых содержит сотни миллиардов звезд, и состоит из квантовых полей, которые проявляются в форме частиц, таких как электроны и фотоны, или волн, подобных электромагнитным волнам, которые несут нам телевизионные изображения, солнечный и звездный свет.

Квантовые поля образуют атомы, свет и всё остальное содержимое Вселенной. Это странные объекты: их кванты являются частицами, когда взаимодействуют с чем-либо другим; но предоставленные самим себе, они распухают в виде «облаков вероятности». Мир – это рой элементарных событий, погруженных в огромное море динамического пространства, которое волнуется, подобно воде в океане.

Эта картина мира с несколькими уравнениями, которые ее конкретизируют, позволяет описать почти все, что мы видим.

Почти. Кое-что все же упускается. И как раз это мы ищем. В оставшихся главах книги мы обсудим эту недостающую часть.

Перевернув эту страницу, вы перейдете от того, что, к добру или нет, мы надежно знаем о нашем мире, к тому, чего мы еще не знаем, но пытаемся уловить.

Переворачивая страницу, мы словно покидаем безопасное пространство почти полной уверенности нашего маленького космического корабля и вступаем в неизвестное.

5

Пространство-время квантовое

В самой глубине нашего понимания физического мира скрывается парадокс. Общая теория относительности и квантовая механика, эти два сокровища, которые оставил нам XX век, оказались щедрым подарком, способствующим пониманию мира и созданию современных технологий. Первое способствовало развитию космологии, а также астрофизики, изучению гравитационных волн и черных дыр. Второе обеспечило нас основами атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц и конденсированного состояния, а также развитием многих других направлений.

И все же между этими двумя теориями есть серьезная коллизия. Они не могут быть верны вместе, по крайней мере не в их современной форме, поскольку они выглядят противоречащими друг другу. Гравитационное поле описывается без учета квантовой механики, без учета того факта, что поля являются квантовыми, а квантовая механика формулируется без учета того факта, что пространство-время искривляется и описывается уравнением Эйнштейна.

Для студента, слушающего по утрам курс общей теории относительности, а после обеда – лекции по квантовой механике, было бы простительно прийти к выводу, что читающие их профессора – дураки или что они не общались друг с другом как минимум столетие. По утрам мир представляет собой искривленное пространство-время, где всё непрерывно, а после обеда мир становится плоским и в нем взаимодействуют дискретные кванты энергетических скачков.

Парадокс состоит в том, что обе эти теории работают просто замечательно.

Во всех экспериментах и проверках природа продолжает говорить «да, вы правы» как общей теории относительности, так и квантовой механике, несмотря на очевидно противоположные допущения, на которых строятся эти две теории. Очевидно, что-то от нас ускользает.

В большинстве ситуаций мы можем пренебречь либо квантовой механикой, либо теорией относительности (либо ими обеими). Луна слишком велика и нечувствительна к крошечной квантовой зернистости, так что, описывая движение, можно забыть о квантах. С другой стороны, атом слишком легок, чтобы в значительной степени искривлять пространство, и, описывая его, можно забыть о кривизне пространства. Однако есть ситуации, когда важны и кривизна пространства, и квантовая зернистость, и для них у нас еще нет общепризнанной и работоспособной физической теории.

Одним из примеров могут служить внутренние области черных дыр. Другой пример – то, что случилось со Вселенной во время Большого взрыва. Иными словами, мы не знаем, как время и пространство ведут себя на очень малых масштабах. Во всех этих случаях современные теории начинают сбоить и больше не дают нам ничего разумного: квантовая механика не может работать с кривизной пространства-времени, а общая теория относительности не может учитывать кванты. Это и есть проблема квантовой гравитации.

Проблема даже глубже. Эйнштейн понимал, что пространство и время – это проявления физического поля, а именно гравитационного. Бор, Гейзенберг и Дирак понимали, что физические поля имеют квантовый характер: они зернисты, вероятностны, проявляются во взаимодействиях. Отсюда следует, что пространство и время также должны быть квантовыми сущностями, наделенными этими странными свойствами.

Что же такое квантовое пространство? Что такое квантовое время? Мы называем это проблемой квантовой гравитации. Команда физиков-теоретиков, разбросанных по пяти континентам, упорно трудится над ее разрешением. Их цель – не только найти теорию, то есть набор уравнений, но и выработать согласованную картину мира, которая позволит избавиться от нынешней шизофренической ситуации с квантами и гравитацией.

Это не первый случай, когда в физике имеются две очень успешные, но взаимно противоречащие друг другу теории. В прошлом усилия по синтезу таких теорий вознаграждались огромными прорывами в нашем понимании мира. Ньютон открыл закон всемирного тяготения, объединив галилееву физику, описывающую поведение вещей на земле, с кеплеровой физикой небесных явлений. Максвелл и Фарадей нашли уравнения электромагнетизма, объединив то, что было известно об электричестве, с тем, что было известно о магнетизме. Эйнштейн построил специальную теорию относительности, чтобы разрешить очевидный конфликт между ньютоновской механикой и максвелловским электромагнетизмом, а затем общую теорию относительности, чтобы разрешить конфликт, возникший между ньютоновской механикой и его собственной специальной теорией относительности.

Поэтому физики-теоретики только радуются, когда обнаруживают конфликт подобного типа, ведь он открывает исключительные возможности. Вопрос стоит так: можем ли мы сконструировать концептуальный каркас, совместимый с тем, что мы узнали о мире из обеих теорий?

Для понимания того, что такое квантовое пространство и квантовое время, нам надо еще раз глубоко пересмотреть наш способ восприятия окружающей действительности. Нужно заново осмыслить основы наших представлений о мире подобно тому, как это сделал Анаксимандр, который понял, что Земля висит в пространстве и что понятий «верх» и «низ» в космосе не существует, или подобно Копернику, который понял, что мы движемся по небесам с огромной скоростью, или подобно Эйнштейну, который догадался, что пространство-время деформируется, как моллюск, а время по-разному течет в разных местах… Еще раз повторю: в поисках целостной картины мира, сохраняющей то, что мы узнали о нем прежде, наши представления о природе реальности должны измениться.

Первым, кто осознал, что для понимания квантовой гравитации нам придется изменить концептуальный каркас, был романтический и легендарный персонаж – Матвей Бронштейн, молодой советский физик, живший и трагически погибший в сталинскую эпоху.

Рис. 5.1. Матвей Бронштейн

Матвей был другом Льва Ландау, ученого, которому предстояло стать лучшим физиком-теоретиком Советского Союза. Коллеги, знавшие их обоих, говорят, что талант Матвея был еще более ярким, чем у Льва. В то время, когда Гейзенберг и Дирак создавали основы квантовой механики, Ландау ошибочно полагал, что с квантами поле становится плохо определенным: квантовые флуктуации помешают измерять значения компонент поля в точках (сколь угодно малых областях) пространства. Проницательный Бор немедленно увидел, что Ландау ошибается, глубоко исследовал вопрос и написал большую подробную статью, в которой показывал, что поля, такие как электрическое, остаются хорошо определенными при использовании квантовой механики[85]. Ландау отступил.

Однако его друг Матвей был заинтригован, поскольку понимал, что интуиция Ландау хотя и подвела его, говорила о чем-то очень важном. Он повторил те же рассуждения, с помощью которых продемонстрировал, что квантовое электрическое поле хорошо определено в точке пространства, применив их к гравитационному полю, для которого Эйнштейн лишь несколькими годами ранее записал уравнение. И тут – сюрприз! – Ландау оказался прав. Если принимать в расчет кванты, то гравитационное поле в точке не является хорошо определенным.

Есть интуитивный способ понять, о чем речь. Допустим, мы хотим наблюдать очень-очень-очень маленькую область пространства. Для этого необходимо поместить в эту область нечто, чтобы пометить точку, которую мы хотим рассматривать. Скажем, мы помещаем туда частицу. Гейзенберг понял, что нельзя долго локализовать частицу в точке пространства. Она вскоре переместится. Чем меньше область, в которой мы пытаемся локализовать частицу, тем больше скорость, с которой она улетает. (Это принцип неопределенности Гейзенберга.) Если частица улетает с большой скоростью, то она обладает большой энергией. Теперь примем в расчет теорию Эйнштейна. Энергия искривляет пространство. Большая энергия означает, что пространство сильно искривляется. Очень большое количество энергии в очень маленькой области искривляет пространство настолько сильно, что оно схлопывается в черную дыру, подобно коллапсирующей звезде. Но если частица проваливается в черную дыру, ее больше нельзя увидеть. Я не могу использовать ее как точку отсчета для области пространства. Таким образом, я не могу измерить сколь угодно малую область пространства, поскольку если я попробую это сделать, область исчезнет внутри черной дыры.

Это рассуждение можно сделать более точным, если добавить немного математики. Общий вывод: из совместного применения квантовой механики и общей теории относительности вытекает, что существует предел для делимости пространства. Масштабы меньше некоторого значения нам недоступны. Если точнее, там ничего не существует.

Насколько мала эта минимальная область пространства? Подсчитать несложно: нужно вычислить минимальный размер частицы перед ее падением в собственную черную дыру, и делается это вполне очевидным способом. Минимальная длина составляет около

Под знаком квадратного корня располагаются три фундаментальные константы: ньютоновская постоянная тяготения G, обсуждавшаяся в главе 2, которая задает силу гравитации; скорость света c, введенная в главе 3 при рассмотрении теории относительности, которая открывает нам расширенное настоящее; и, наконец, постоянная Планка h, с которой мы познакомились в главе 4, определяющая масштаб квантовой зернистости[86]. Присутствие этих трех констант подтверждает тот факт, что мы ищем нечто, связанное с гравитацией (G), теорией относительности (c) и квантовой механикой (h).

Расстояние LP, определенное таким образом, называется планковской длиной. По справедливости следовало бы называть ее бронштейновской, но таков уж наш мир. Ее численное значение составляет примерно одну миллионную миллиардной миллиардной миллиардной доли сантиметра (10–33 см). Так что она весьма мала.

Именно в таком экстремально малом масштабе проявляет себя квантовая гравитация. Чтобы получить представление, насколько мала обсуждаемая величина, представьте себе, что мы увеличили скорлупку грецкого ореха до размеров всей видимой Вселенной; но даже в таком масштабе планковская длина все еще не будет видна. Даже после такого колоссального увеличения она будет в миллион раз меньше ореха до увеличения. В этом масштабе пространство и время меняют свою природу. Они становятся чем-то совершенно иным – квантовыми пространством и временем, и понять, что это значит, довольно трудно.

Матвей Бронштейн понял все это в 1930-х годах и написал две короткие, но очень ясные статьи, в которых отмечал, что квантовая механика и общая теория относительности при совместном использовании несовместимы с нашим привычным представлением о пространстве как о бесконечно делимом континууме[87].

Вскоре, однако, возникла проблема. Матвей и Лев были искренними коммунистами. Они верили в революционное освобождение человечества, построение принципиально лучшего общества без несправедливости и без колоссального неравенства, которые, как мы видим, постоянно растут в мире. Они были твердыми последователями Ленина. Когда Сталин пришел к власти, это вызвало у них сначала растерянность, потом критическое отношение, затем враждебность. Они писали статьи, которые были умеренными, но открыто критичными… Это был не тот коммунизм, которого они хотели…

То были суровые времена. Ландау прошел через них; это было нелегко, но он выжил. Матвей же через год после того, как первым понял, что наши представления о пространстве и времени следует радикальным образом изменить, был арестован сталинскими спецслужбами и приговорен к смерти. Казнь состоялась в день вынесения приговора, 18 февраля 1938 года[88]. Ему было всего 30 лет.

Джон

После безвременной кончины Матвея Бронштейна многие замечательные физики пытались разрешить загадку квантовой гравитации. Дирак посвятил этой проблеме последние годы своей жизни, открывая новые направления и вводя идеи и приемы, на которых строится значительная часть современных исследований в области квантовой гравитации. Именно благодаря этим приемам мы сегодня знаем, как описывать мир без времени, и в дальнейшем я об этом еще расскажу. Фейнман пытался адаптировать к общей теории относительности приемы, которые он разработал для электронов и протонов, но безуспешно: электроны и протоны – это кванты в пространстве, а квантовая гравитация – это нечто иное: недостаточно описать «гравитоны», движущиеся в пространстве, квантоваться должно само пространство.

Несколько Нобелевских премий были присуждены физикам, которым в ходе попыток распутать головоломку квантовой гравитации удалось почти по ошибке справиться с другими проблемами. Два голландских физика – Герард т’Хоофт и Мартинус Велтман – получили Нобелевскую премию в 1999 году за демонстрацию непротиворечивости теорий, которые используются сегодня для описания ядерных сил – части Стандартной модели, – но их исследовательская программа в действительности была нацелена на демонстрацию непротиворечивости теории квантовой гравитации. Их работа над теориями остальных сил была лишь подготовительным этапом. Этот «подготовительный этап» принес им Нобелевскую премию, но они не добились успеха в демонстрации непротиворечивости своей версии квантовой гравитации.

Если продолжить этот список, он станет похож на «доску почета» выдающихся физиков-теоретиков столетия. Или же перечень их неудач. Лишь постепенно, на протяжении десятилетий, идеи прояснялись, а тупиковые направления исследовались и закрывались; прояснялись технические приемы и общие идеи, начинали появляться результаты, выводимые один из другого. Чтобы только упомянуть здесь всех ученых, сделавших вклад в постепенное коллективное выстраивание этого направления науки, нам пришлось бы составить огромный список имен, в котором каждый добавил в общую работу свой камешек или булыжник.

Я бы хотел упомянуть только одного из них – того, кто много лет объединял различные направления этого коллективного исследования: замечательного, вечно молодого англичанина, философа и физика в одном лице – Криса Айшема. Именно читая его статью с обзором темы квантовой гравитации, я влюбился в эту проблему. Статья, по сути, объясняла, почему проблема столь сложна, как должны измениться наши представления о пространстве и времени, и давала четкий обзор всех путей, которые прослеживались на тот момент, с упоминанием достигнутых результатов и выявленных трудностей. Я был тогда студентом третьего курса, и возможность с нуля переосмыслить пространство и время привела меня в восхищение. Это восхищение с тех пор не ослабевало. И, как сказано в сонете Петрарки, «рана не проходит, когда теряет силу тетива»[89].

Ученым, который внес наибольший вклад в квантовую гравитацию, был легендарный Джон Уилер, ставший связующим звеном для физики прошлого столетия. Ученик и коллега Нильса Бора в Копенгагене; коллега Эйнштейна после его переезда в Соединенные Штаты; учитель, среди учеников которого был, например, Ричард Фейнман… Уилер был сердцем физики XX века. Он был одарен ярким воображением. Именно он придумал и сделал популярным термин «черная дыра». Его имя связано с ранними широкими исследованиями – часто более интуитивными, нежели математическими, – вопроса о квантовом пространстве-времени. Восприняв урок Бронштейна о том, что квантовые свойства гравитационного поля влекут за собой изменения в представлениях о пространстве на малых масштабах, Уилер искал новые идеи, помогающие понять это квантовое пространство. Он представлял его облаком наложенных друг на друга геометрий, подобно тому как мы представляем квантовый электрон облаком его положений.

Рис. 5.2. Джон Уилер

Представьте, что вы смотрите на море с большой высоты: вы воспринимаете его огромную протяженность как плоский зеленоватый стол. Затем вы снижаетесь и смотрите на него с меньшего расстояния. Вы начинаете замечать огромные волны, гонимые ветром. Вы опускаетесь еще ниже и видите, что волны разбиваются, а поверхность моря покрыта беспорядочной пеной. Вот на что похоже пространство в представлении Уилера[90]. В масштабах нашего восприятия, неимоверно превосходящих планковскую длину, пространство гладкое. Если же мы спустимся к планковскому масштабу, оно рвется и пенится.

Уилер искал способ описания пенящегося пространства, этой волны вероятности различных геометрий. В 1966 году его молодой коллега Брайс Девитт, живший в Каролине, нашел ключ к этой задаче[91]. Уилер часто путешествовал и всюду, где мог, встречался с коллегами. Он попросил Брайса встретить его в аэропорту Рейли/Дюрхем в Северной Каролине, где ему предстояло несколько часов ждать пересадки. Приехав, Брайс показал ему уравнение для волновой функции пространства, полученное с использованием несложного математического приема[92]. Уилер пришел в восторг. В этом разговоре родилось своего рода «уравнение для орбиталей» в общей теории относительности; уравнение, которое должно определять вероятность того или иного искривления пространства. Долгое время Девитт называл его уравнением Уилера[93], тогда как Уилер называл его уравнением Девитта. Теперь все называют его уравнением Уилера – Девитта.

Идея была очень удачной и легла в основание попыток построить полную теорию квантовой гравитации. Однако само это уравнение создает проблемы, причем серьезные. Прежде всего, с математической точки зрения уравнение действительно очень плохо определено. Если попытаться использовать его для вычислений, мы скоро получим бесконечные результаты, не имеющие смысла. Это требовалось исправить.

Вдобавок это уравнение трудно интерпретировать так, чтобы придать ему смысл. Среди его аспектов, приводящих в замешательство, можно назвать тот факт, что в уравнении не содержится переменной, обозначающей время. Как использовать его для расчетов эволюции чего-либо, происходящего во времени, если время в него вообще не входит? Уравнения динамики в физике всегда содержат переменную t, время. Что означает физическая теория без временно́й переменной? Годами исследователи будут биться над подобными вопросами, пытаясь различными способами пересмотреть уравнение, чтобы улучшить его определенность и понять, что оно означает.

Первые шаги к петлям

Туман начал рассеиваться к концу 1980-х годов. Неожиданно появились некоторые решения уравнения Уилера – Девитта. В эти годы мне довелось встретиться в Сиракузском университете (штат Нью-Йорк) с индийским физиком Абэйем Аштекаром, а затем в Йельском университете с физиком Ли Смолином. Этот период запомнился мне интенсивными дискуссиями и жгучим интеллектуальным задором. Аштекар переписал уравнение Уилера – Девитта в более простой форме; Смолин совместно с Тедом Якобсоном из Мэрилендского университета в Вашингтоне был первым, кто нашел новые странные решения этого уравнения.

У этих решений была одна любопытная особенность: они зависели от замкнутых линий в пространстве. Замкнутая линия – это петля. Смолин и Якобсон смогли найти решение уравнения Уилера – Девитта для любой петли, то есть для любого замкнутого контура. Какое значение это имело? Первые работы в области, которая в дальнейшем стала называться петлевой квантовой гравитацией, появились из дискуссий, в ходе которых постепенно прояснялся смысл решений уравнения Уилера – Девитта. На этих решениях шаг за шагом стала воздвигаться целостная теория, унаследовавшая название «петлевая теория» от первых изученных решений.

Сегодня над этой теорией работают сотни исследователей, разбросанных по всему миру – от Китая до Аргентины, от Индонезии до США. То, что было постепенно выстроено, называется теперь петлевой теорией, или петлевой квантовой гравитацией, – ей посвящены следующие главы. Это не единственное направление, исследуемое в поисках квантовой теории гравитации, но я считаю его самым многообещающим[94].

6

Кванты пространства

В прошлой главе мы остановились на решениях уравнения Уилера – Девитта, открытых Якобсоном и Смолином. Эти решения строятся для замкнутых линий, или петель. Что всё это означает?

Вы, конечно, помните фарадеевы линии – те, что несут электрическую силу и, по представлениям Фарадея, заполняют пространство? Из какой концепции «поля» происходят эти линии? Замкнутые линии, появляющиеся в решениях уравнения Уилера – Девитта – это, по сути, Фарадеевы линии гравитационного поля.

Однако теперь к идеям Фарадея добавляются две новые составляющие.

Первая из них заключается в том, что мы имеем дело с квантовой теорией. В квантовой теории всё дискретно. Это означает, что непрерывная паутина бесконечно тонких параллельных линий теперь становится похожей на реальную паутину: она содержит конечное число отдельных линий. Каждая такая линия, определяющая решение уравнения Уилера – Девитта, описывает одну нить этой паутины.

Второй новый аспект, играющий ключевую роль, состоит в том, что мы говорим о гравитации, а значит, как показал Эйнштейн, речь идет не о полях, погруженных в пространство, но о структуре самого пространства. Фарадеевы линии квантового гравитационного поля – это нити, из которых соткано пространство.

Поначалу исследования концентрировались на этих линиях и на том, как они «сплетаются» в наше трехмерное физическое пространство. На рис. 6.1 представлены первые попытки дать интуитивную картину дискретной структуры пространства, которая из этого получается.

Рис. 6.1. Квантовая версия фарадеевых силовых линий, из которых сплетается трехмерная сеть взаимосвязанных колец (петель)

Вскоре, однако, благодаря интуиции и математическим талантливым молодым ученым, таким как аргентинец Хорхе Пуллин и поляк Журек Левандовски, стало ясно, что ключ к пониманию физики обсуждаемых решений лежит в точках, где эти линии пересекаются. Эти точки называются узлами, а линии между узлами – ребрами. Сеть пересекающихся линий образует так называемый граф – это совокупность узлов, соединенных ребрами, как на рис. 6.3 (с. 179).

Фактически расчеты показывают, что без узлов физическое пространство не имеет объема. Иными словами, объем пространства сидит в узлах графа, а не в его ребрах. Линии связывают вместе отдельные объемы, находящиеся в узлах.

На то, чтобы полностью прояснить получившуюся картину квантового пространства-времени, ушли годы. Потребовалось преобразовать плохо определенный математический аппарат уравнения Уилера – Девитта в более определенную форму, пригодную для вычислений. После этого появилась возможность получать точные результаты. Ключевой технический результат, проясняющий физический смысл наших графов, – это расчет спектров объема и площади.

Спектры объема и площади

Возьмем любую область пространства, например комнату, в которой вы читаете эту книгу, если вы находитесь в комнате. Насколько велика эта комната? Размер комнатного пространства измеряется его объемом. Объем – это геометрическая величина, которая зависит от геометрии пространства, но геометрия пространства – как показал Эйнштейн и рассказывал я в главе 3 – это гравитационное поле. Объем, таким образом, – это свойство гравитационного поля, выражающее, сколько гравитационного поля находится между стенами вашей комнаты. Но гравитационное поле – это физическая величина, которая, как любая другая, подчиняется законам квантовой механики. В частности, как любая физическая величина, объем не может принимать произвольные значения, но только некоторые определенные, как я описывал в главе 4. Список всех возможных значений, если вы помните, называется спектром. А значит, должен существовать спектр объема (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Спектр объема: объем правильного тетраэдра, который физически может существовать, численно ограничен. Наименьший (внизу) – это самый маленький существующий объем

Дирак дал нам формулу, по которой вычисляется спектр любой переменной. Это вычисление требует времени: сначала – чтобы задать его, а затем – выполнить, и это довольно тяжелая работа. Эти расчеты были выполнены в середине 1990-х годов, и, как и ожидалось (Фейнман любил говорить, что мы ничего не должны считать, не зная заранее результат), спектр объема является дискретным, то есть объем может состоять только из дискретных пакетов. Это чем-то похоже на энергию электромагнитного поля, которое тоже складывается из дискретных пакетов – фотонов.

Узлы нашего графа представляют эти дискретные пакеты объема и, как и в случае с фотонами, могут иметь лишь определенные размеры, которые можно вычислить, используя общее квантовое уравнение Дирака[95]. Каждый узел n в графе имеет свой собственный объем vn, равный одному из значений в спектре объема. Узлы – это элементарные кванты, из которых состоит физическое пространство. Каждый узел графа – это квантовая частица в пространстве. Структура, которая при этом получается, изображена на рис. 6.3.

Ребро – это отдельная квантовая фарадеева линия. Теперь мы понимаем, что они представляют собой: если считать два узла двумя крошечными областями пространства, то они будут отделены друг от друга крошечной поверхностью. Размер этой поверхности – это ее площадь. Это вторая величина после объема, характеризующая квантовую паутину пространства, – площадь, ассоциированная с каждой линией[96].

Рис. 6.3. Слева изображен граф, образованный узлами, которые соединены ребрами. Справа – зернистое пространство, которое представлено этим графом. Ребра обозначают смежные частицы, разделенные поверхностями

Эта площадь, как и объем, – физическая переменная, и она имеет спектр, который можно рассчитать, используя уравнение Дирака[97]. Площадь не является непрерывной величиной, она тоже зерниста. Не существует такой вещи, как произвольно малая площадь.

Пространство кажется нам непрерывным только потому, что мы не способны воспринимать чрезвычайно малый масштаб отдельных квантов пространства. Точно так же, когда мы вблизи рассматриваем ткань футболки, то видим, что она состоит из тонких переплетающихся нитей.

Когда мы говорим, что объем комнаты составляет, например, 100 кубических метров, мы на самом деле подсчитываем зерна пространства – кванты гравитационного поля, – которые в ней содержатся. Для комнаты их количество выражается стозначным числом. Когда мы говорим, что площадь этой страницы – 200 квадратных сантиметров, мы в действительности считаем число ребер паутины (или петель), пересекающих страницу. Для страницы этой книги число квантов площади выражается примерно семидесятизначным числом.

Идея, что измерение длины, площади и объема – это вопрос подсчета их отдельных элементов, была предложена в XIX веке самим Риманом. Математик, который разработал теорию непрерывных искривленных математических пространств, уже понимал, что дискретное физическое пространство, в конечном счете, более разумная идея, чем непрерывное.

Подводя итоги, можно сказать, что петлевая квантовая гравитация, или петлевая теория, объединяет общую теорию относительности с квантовой механикой довольно консервативным образом, поскольку она не вводит никаких других гипотез, кроме тех, которые содержатся в самих этих теориях, записанных в такой форме, чтобы они были совместимы. Однако выводы оказываются поистине радикальными.

Общая теория относительности говорит, что пространство – это нечто динамическое, подобно электромагнитному полю: огромный подвижный моллюск, внутрь которого мы все погружены, растягивающийся и изгибающийся. Квантовая механика утверждает, что любое поле такого рода состоит из квантов, иными словами, оно имеет тонкую зернистую структуру. Отсюда следует, что физическое пространство, будучи полем, тоже состоит из квантов. Такая же зернистая структура, характерная для других квантовых полей, присуща и квантовому гравитационному полю, а значит, и пространству. Мы ожидаем, что пространство будет зернистым. Мы ожидаем, что существуют кванты гравитации, так же как есть кванты света, кванты электромагнитного поля и частицы, служащие квантами квантовых полей. Но поскольку пространство является гравитационным полем, кванты гравитационного поля – это кванты пространства, его зернистые составляющие.

Главное предсказание петлевой теории состоит, таким образом, в том, что пространство не является континуумом, его нельзя делить до бесконечности, оно состоит из «атомов пространства», которые в миллиарды миллиардов раз меньше самого маленького из атомных ядер.

Петлевая теория описывает эту атомарную, или зернистую, квантовую структуру пространства в точной математической форме, полученной путем применения общих уравнений квантовой механики, выведенных Дираком, к эйнштейновскому гравитационному полю.

В частности, петлевая теория говорит, что объем (например, объем некоторого куба) не может быть сколь угодно малым. Существует минимальный объем. Не может существовать области пространства меньше этого минимального объема. Существует минимальный квантовый объем – элементарный атом пространства.

Атомы пространства

Помните Ахиллеса, соревнующегося с черепахой? Как отмечал Зенон, трудно принять идею, что Ахиллес преодолевает бесконечное число отрезков, прежде чем догнать медлительное животное. Математики нашли возможный ответ на это затруднение, показав, как бесконечное число последовательно уменьшающихся интервалов может, тем не менее, складываться в конечный совокупный интервал.

Но действительно ли это происходит в природе? Реальны ли интервалы между Ахиллесом и черепахой, становящиеся сколь угодно короткими? Действительно ли имеет смысл говорить о миллиардно-миллиардно-миллиардных долях миллиметра, а затем представлять их себе делимыми вновь и вновь бесконечное число раз?

Расчеты квантовых спектров геометрических величин показывают, что ответ на этот вопрос отрицательный: сколь угодно малых кусочков пространства не существует. Есть нижний предел делимости пространства. Он, конечно, очень мал, но он существует. Именно об этом догадывался Матвей Бронштейн в 1930-х годах. Расчеты спектров объема и площади подтверждают его идею и придают ей математически точную форму.

Ахиллесу не нужно делать бесконечного числа шагов, чтобы догнать черепаху, поскольку в пространстве, которое состоит из зерен конечного размера, бесконечно малых шагов не существует. Герой будет оказываться все ближе и ближе к черепахе, пока, наконец, не настигнет ее одним квантовым скачком.

Однако если подумать, не есть ли это в точности то же решение, что было предложено Левкиппом и Демокритом? Они говорили о зернистой структуре материи, но мы плохо представляем себе, что же в точности они говорили о пространстве. К сожалению, у нас нет их текстов, и мы вынуждены обходиться скудными фрагментами, которые цитируют другие авторы. Это подобно попыткам восстановить шекспировские пьесы по списку цитат из Шекспира[98]. Упоминаемое Аристотелем демокритовское рассуждение об абсурдности континуума как совокупности точек может быть применено к пространству. Я представляю себе, как спрашиваю Демокрита, имеет ли смысл деление пространственного интервала до бесконечности, а он в ответ может лишь повторить, что делимость должна иметь предел. Для философа из Абдеры материя состояла из неделимых атомов. Но я думаю, осознав однажды, что пространство очень похоже на материю и, как он сам отмечал, имеет свою собственную природу, «определенную физику», он бы без колебаний сделал вывод о том, что пространство тоже может состоять только из элементарных неделимых кусочков. Возможно, мы лишь идем по стопам Демокрита.

Я, конечно, не имею в виду, что физика двух последующих тысячелетий была бесполезной, что эксперименты и математический аппарат не нужны и что Демокрит столь же убедителен, как современная наука. Очевидно, что это не так. Без экспериментов и математики мы никогда не поняли бы того, что понимаем сейчас. Однако мы разработали свои концептуальные схемы понимания мира не только исследуя новые идеи, но также опираясь на мощную интуицию гигантов прошлого. Демокрит – один из них, и мы открываем новое, сидя на его титанических плечах.

Вернемся, однако, к квантовой гравитации.

Спиновые сети

Графы, которые описывают квантовые состояния пространства, характеризуется объемом v для каждого узла и полуцелой величиной j для каждого ребра. Граф с такой дополнительной информацией называется спиновой сетью (рис. 6.4). (Полуцелые величины в физике называют спином, поскольку они появляются в квантовой механике вращающихся объектов[99].) Спиновая сеть представляет квантовое состояние гравитационного поля – квантовое состояние пространства; зернистого пространства, в котором площадь и объем дискретны. Мелкоячеистые сети широко используются в физике как аппроксимации непрерывного пространства. Здесь же нет пространственного континуума, нуждающегося в аппроксимации, – пространство зернисто по своей природе.

Рис. 6.4. Спиновая сеть

Ключевое различие между фотонами (квантами электромагнитного поля) и узлами графа (квантами гравитации) состоит в том, что фотоны существуют в пространстве, тогда как кванты гравитации представляют собой само пространство. Фотоны характеризуются местом, «где они находятся»[100]. Кванты пространства не имеют места, где они могут находиться, поскольку они сами являются местом. Есть лишь один элемент информации, характеризующей их пространственное положение, – информация о том, с какими еще квантами пространства они соседствуют, какие еще кванты находятся рядом с ними. Эта информация выражается ребрами графа. Два узла, соединенные ребром, – это два близких узла. Это два зерна пространства, находящихся в контакте друг с другом, и такие «соприкосновения» определяют структуру пространства.

Кванты гравитации, таким образом, не находятся в пространстве, они сами и есть пространство. Спиновые сети, которые описывают квантовую структуру гравитационного поля, не погружены в пространство; они не заполняют его. Расположение отдельного кванта пространства определяется не иначе как только ребрами и теми связями, которые они выражают.

Если я буду переходить от зерна к зерну по ребрам, пока не завершу полный круг и не вернусь к исходному зерну, с которого начал, я получу петлю. Это и есть первоначальные петли петлевой теории. В главе 4 я показал, что кривизну пространства можно измерить, наблюдая за тем, вернется ли стрелка, перемещаемая по замкнутому контуру, в исходное положение или окажется повернутой. Математический аппарат теории определяет эту кривизну для любого замкнутого контура на спиновой сети, и это дает возможность определить кривизну пространства-времени, а значит, и силу гравитационного поля, по структуре спиновой сети[101].

Итак, квантовая механика – это не только зернистость. Важен также тот факт, что эволюция является вероятностной, и путь, по которому эволюционирует спиновая сеть, является случайным. Я подробнее расскажу об этом в следующей части, посвященной времени.

И наконец, важно не то, как вещи существуют, а то, как они взаимодействуют. Спиновые сети – это не сущности; они описывают влияние пространства на вещи. Также как электрон не находится в каком-то определенном месте, а размазан облаком вероятности по всем местам, пространство в действительности образует не одну конкретную спиновую сеть, а облако вероятностей по всей совокупности возможных спиновых сетей.

На предельно малых масштабах пространство представляет собой флуктуирующий рой квантов гравитации, которые воздействуют друг на друга и вместе влияют на вещи, проявляя себя в этих взаимодействиях как спиновые сети, как связанные друг с другом зерна (рис. 6.5).

Физическое пространство – это ткань, возникающая из безостановочного роения этой паутины отношений. Сами линии нигде не находятся; они не принадлежат какому-то месту, а сами создают места посредством своих взаимодействий.

Пространство создается взаимодействием отдельных квантов гравитации.

Рис. 6.5. В малом масштабе пространство не является непрерывным – это ткань из взаимосвязанных конечных элементов

Это первый шаг в направлении к пониманию квантовой гравитации. Второй касается времени, которому посвящена следующая глава.

7

Времени не существует

И неизбежно признать, что никем ощущаться не может

Время само по себе, вне движения тел и покоя.

Лукреций. О природе вещей[102]

Внимательный читатель заметит, что в предыдущих главах мало внимания уделялось времени. А ведь еще Эйнштейн более столетия назад показал, что нельзя разделять время и пространство, напротив, о них следует думать совместно, как о едином целом – пространстве-времени. Настал момент разобраться с этим и вернуть время в нашу картину мира.

Исследования по квантовой гравитации годами были сосредоточены на пространственных уравнениях, пока у ученых не хватило смелости взяться за время. За последние 15 лет стал формироваться способ понимания времени, который я постараюсь объяснить.

Пространство как аморфное вместилище вещей исчезает из физики с появлением квантовой гравитации. Вещи (кванты) не населяют пространство, но располагаются друг по отношению к другу, а пространство – это ткань их соседских отношений. И по аналогии с отказом от идеи пространства как пассивного вместилища мы должны отбросить идею времени как пассивного потока, вдоль которого развертывается реальность. Так же как исчезает идея пространственного континуума, содержащего вещи, должна исчезнуть и идея текущего континуума времени, в котором происходят все явления.

В некотором смысле в фундаментальной теории пространства больше не существует; кванты гравитационного поля не находятся в пространстве. В том же смысле в фундаментальной теории больше не существует времени: кванты гравитации не эволюционируют во времени. Время – это просто счетчик их взаимодействий. Как свидетельствует уравнение Уилера – Девитта, фундаментальные уравнения более не содержат временно́й переменной. Время, подобно пространству, появляется из квантового гравитационного поля.

Отчасти это уже есть в классической общей теории относительности, где время представляется проявлением гравитационного поля. Но пока мы пренебрегаем квантовой теорией, все еще можно думать о пространстве-времени довольно привычным образом – как о полотне, на котором разворачивается история всей остальной реальности, даже если это полотно динамичное и подвижное. В момент, когда мы принимаем в расчет квантовую механику, мы понимаем, что время тоже должно демонстрировать вероятностную неопределенность, зернистость и реляционность, которые присущи всей остальное реальности. Это делает время существенно отличным от всего, что мы подразумевали под этим словом прежде.

Это второе концептуальное следствие теории квантовой гравитации еще радикальнее, чем исчезновение пространства.

Попробуем в нем разобраться.

Время – не то, что мы о нем думаем

То, что природа времени отличается от общепринятых представлений, которые есть у всех нас, стало ясно уже более столетия назад. Специальная и общая теории относительности сделали это очевидным. Сегодня неадекватность нашего обыденного представления о времени можно легко продемонстрировать в лаборатории.

Рассмотрим, например, первое следствие общей теории относительности, описанное в главе 3. Возьмем двое часов, убедимся, что они показывают в точности одинаковое время, положим одни из них на пол, а другие – на стол. Подождем полчаса и снова поместим их рядом. Будут ли они по-прежнему показывать одно и то же время?

Как говорилось в главе 3, ответ будет отрицательный. Обычные наручные часы или те, что встроены в мобильный телефон, не обладают необходимой точностью, чтобы проверить этот факт. Однако в физических лабораториях по всему миру есть часы, имеющие точность, которая позволяет продемонстрировать возникающее расхождение: часы, оставленные на полу, идут медленнее, чем такие же часы, расположенные выше.

Почему? Потому что время не течет одинаково повсюду в мире. В некоторых местах его поток быстрее, в других – медленнее. Чем ближе к Земле, где гравитация[103] сильнее, тем медленнее течет время. Помните близнецов из главы 3, чей возраст стал различаться в результате того, что один жил у моря, а другой в горах? Этот эффект ничтожен – выигрыш во времени, полученный за всю жизнь приморским жителем в сравнении с горцем, составляет доли секунды, – однако столь малая величина не меняет того факта, что это реальное различие. Время ведет себя не так, как мы привыкли себе представлять.

Мы не должны думать о времени так, словно где-то существуют великие космические часы, которые отмеряют жизнь Вселенной. Уже более 100 лет мы знаем, что о времени следует думать как о локальном явлении: каждый объект во Вселенной имеет свое собственное время, темп которого определяется локальным гравитационным полем.

Но даже это представление о локальном времени перестает работать, когда мы принимаем в расчет квантовую природу гравитационного поля. Квантовые события в планковском масштабе больше не упорядочены ходом времени. Время, в некотором смысле, перестает существовать.

Что означают слова о том, что времени не существует?

Прежде всего, отсутствие временно́й переменной в фундаментальных уравнениях не означает, что всё становится неподвижным и что перестают происходить какие-либо изменения. Напротив, это означает, что изменения вездесущи. Вот только элементарные процессы не могут быть упорядочены вдоль привычной последовательности мгновений. В предельно малых масштабах, соответствующих квантам пространства, танец природы не подчиняется ритму, задаваемому одной дирижерской палочкой для всего оркестра: каждый процесс танцует независимо от соседей, следуя своему собственному ритму. Течение времени – это внутреннее свойство мира, оно рождается самим миром из отношений между квантовыми событиями, которые и есть мир и которые сами порождают свое собственное время.

Фактически несуществование времени не означает ничего особенно сложного. Давайте попробуем это понять.

Пульс и люстра со свечками

Время входит в большинство уравнений классической физики. Это переменная, обозначаемая буквой t. Уравнения говорят нам, как вещи меняются во времени. Если мы знаем, что случилось в прошлом, они позволяют нам предсказать будущее. Точнее, мы измеряем некоторые величины, например положение A объекта, угол B отклонения маятника, температуру C объекта, а физические уравнения говорят, как эти величины будут меняться во времени. Они предсказывают функции A (t), B (t), C (t) и т. д., которые описывают изменения этих величин с течением времени t.

Галилей был первым, кто понял, что движение объектов на земле может описываться уравнениями как функции времени A (t), B (t), C (t), и первым записал формулы для этих уравнений в явном виде. Например, первый закон земной физики, найденный Галилеем, описывал падение предмета, иначе говоря, показывал, как его высота x меняется с ходом времени t[104].

Для открытия и проверки этого закона Галилею потребовались два типа измерений. Он измерял высоту x предмета и время t. Поэтому ему был нужен инструмент для измерения времени – часы.

Во времена Галилея не было точных часов. Сам Галилей еще в молодости нашел способ изготовления точных хронометров. Он обнаружил, что колебания маятника всегда имеют одинаковую длительность (независимо от амплитуды). Поэтому можно измерять время, просто считая качание маятника. Эта идея кажется такой очевидной, но только Галилей обратил на нее внимание, до него она никому не приходила в голову. Так нередко бывает в науке.

Но на самом деле всё не так однозначно.

Согласно легенде, эта идея озарила Галерея в величественном Пизанском соборе, где он наблюдал за медленными покачиваниями гигантской люстры со свечами. (Легенда не соответствует действительности, поскольку люстра впервые закачалась там через много лет после смерти Галилея, но история всё равно хороша. И не исключено, что в те времена в соборе висело что-то другое.) Ученый наблюдал за этими колебаниями во время религиозной службы, которой он, очевидно, не был особенно поглощен, и замерял длительность каждого качания люстры, подсчитывая удары собственного пульса. С нарастающим волнением он обнаружил, что число ударов одинаково для каждого качания – оно не менялось, когда люстра замедлялась и раскачивалась с ничтожной амплитудой. Все колебания имели одинаковую длительность.

Эта история звучит замечательно, но если задуматься, она вызывает недоумение, и это недоумение ведет нас к самой сути проблемы времени. Откуда Галилей знал, что удары его собственного пульса происходят через равные отрезки времени?[105]

Вскоре после Галилея доктора стали измерять пульс своих пациентов, используя часы, которые, в конечном счете, представляли собой не что иное, как маятник. Получается, что мы использовали пульс, чтобы удостовериться в регулярности качаний маятника, а затем с помощью маятника проверяли постоянство пульса. Не кажется ли вам, что здесь имеет место какой-то порочный круг? Что бы это значило?

В действительности мы никогда не измеряем время само по себе, мы всегда измеряем физические величины A, B, C… (колебания, пульс и множество других вещей) и сравниваем одну величину с другой, то есть, иными словами, мы измеряем функции A(B), B(C), C(A) и т. д. Мы можем подсчитать, сколько ударов пульса в каждом колебании, сколько колебаний приходится на каждое тиканье секундомера, сколько тиканий секундомера между ударами башенных часов…

Суть в том, что нам удобно представлять себе, что существует величина t – «истинное время», – которая лежит в основе всякого движения, даже если ее нельзя измерить непосредственно. Мы записываем уравнения для физических переменных относительно этой ненаблюдаемой величины t – уравнения, которые говорят нам, как вещи меняются с изменением t: например, сколько времени занимает каждое колебание и сколько длится удар пульса. Отсюда мы можем вывести, как величины меняются друг по отношению к другу – сколько ударов пульса приходится на одно колебание – и сравниваем эти предсказания с тем, что наблюдаем в мире. Если эти предсказания оказываются корректными, мы верим в то, что наша сложная схема верна, и в частности в полезность переменной времени t, даже если ее нельзя непосредственно измерить.

Иными словами, существование переменной времени – это удобное допущение, а не результат наблюдений.

Первым, кто всё это понял, был Ньютон: он догадался, что это эффективный подход, прояснил и развил данную схему. Ньютон открыто пишет в своей книге, что нельзя измерить истинное время t, но если предположить, что оно существует, то получается эффективная конструкция для описания природы.

Прояснив этот момент, мы можем вернуться к квантовой гравитации и к смыслу утверждения о том, что «времени не существует». Это попросту означает, что ньютоновская схема перестает работать, когда мы имеем дело с очень маленькими вещами. Она была хороша, но только для больших вещей.

Если мы хотим добиться глубокого понимания мира, если хотим понять, как он функционирует в менее знакомых нам ситуациях, в которых становится существенной квантовая гравитация, нам придется отказаться от этой схемы. Представление о времени t, которое течет само по себе и по отношению к которому эволюционируют вещи, перестает быть полезным. Мир не описывается уравнениями эволюции во времени t. Мы должны просто перечислить переменные A, B, C, …, которые мы действительно наблюдаем, и записать уравнения, выражающие отношения между этими переменными и ничем больше: то есть уравнения для отношений A (B), B (C), C (A)…, которые мы наблюдаем, а не для функций A (t), B (t), C (t)…, которые мы не наблюдаем.

В примере с пульсом и люстрой у нас вместо происходящих во времени пульса и качаний люстры будут только уравнения, которые описывают, как две соответствующие им величины меняются друг по отношению к другу, то есть уравнение, которое прямо говорит нам, сколько ударов пульса приходится на одно качание люстры без упоминания t.

«Физика без времени» – это физика, в которой мы говорим только о пульсе и люстре, не упоминая о времени.

Это простое изменение, но с концептуальной точки зрения – это огромный скачок. Мы должны научиться думать о мире не как о чем-то изменяющемся во времени, но неким иным способом. Вещи меняются только по отношению друг к другу. На фундаментальном уровне времени не существует. Наше обыденное чувство течения времени есть лишь приближение, которое верно для наших макроскопических масштабов. Оно возникает в силу того, что мы воспринимаем мир в очень загрубленном, крупнозернистом виде.

Таким образом, мир, описываемый этой теорией, очень далек от того, что нам привычно. Больше не существует пространства, которое вмещает мир, и не существует времени, в течение которого происходят события. Есть элементарные процессы, в которых кванты пространства и материи непрерывно взаимодействуют друг с другом. Эту картину мира можно сравнить с чистым и спокойным альпийским озером, которое состоит из мириад быстро танцующих крошечных молекул воды. Иллюзия, будто мы окружены непрерывным пространством и временем, есть результат рассматривания издали плотного роя элементарных процессов.

Пространственно-временное суши

Как эти общие идеи применяются к квантовой гравитации? Как описывать изменения без использования идеи пространства как контейнера и времени, вдоль которого скользит мир?

Рассмотрим процесс, например, столкновения двух бильярдных шаров на столе, обтянутом зеленым сукном. Пусть красным шаром бьют по желтому; он приближается, ударяется, и два шара разлетаются в разных направлениях. Этот процесс, как и все процессы, происходит в конечной области пространства (скажем, на столе шириной около двух метров) и длится конечное время (допустим, три секунды). Чтобы обсуждать этот процесс в контексте квантовой гравитации, необходимо включить пространство и время в сам этот процесс (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Область пространства, в которой черный шар ударяет покоящийся белый шар, заставляя его двигаться, и отскакивает. Коробка – это область пространства-времени. Внутри нее нарисованы траектории шаров

Иными словами, мы должны описывать не только два шара, но также все, что находится вокруг них: стол и любые другие материальные объекты, а также пространство, в которое они погружены в течение времени, которое прошло между начальным ударом и концом процесса. Пространство и время – это гравитационное поле, эйнштейновский «моллюск»: мы также включаем в процесс гравитационное поле, то есть кусок этого моллюска. Все погружено внутрь этого огромного эйнштейновского моллюска. Теперь представьте, что вы отрезаете от него небольшой, конечный кусочек наподобие суши, который включает столкновение и то, что его окружает.

В результате мы получаем пространственно-временную коробку (как на рис. 7.1) – конечную порцию пространства-времени объемом несколько кубометров в пространстве и несколько секунд во времени. Этот процесс не происходит во времени. Эта коробка не находится в пространстве-времени, она включает в себя пространство-время. Это не процесс во времени – в том же смысле, в каком зерна пространства не находятся в пространстве. Течение времени – это лишь мера самого процесса, так же как кванты гравитации не находятся в пространстве, а сами представляют собой пространство.

Ключ к пониманию того, как работает квантовая гравитация, лежит в рассмотрении не только физического процесса, заданного двумя шарами, но и целостного процесса, заданного всей коробкой, со всем, что в ней содержится, включая гравитационное поле.

Теперь вернемся к первоначальный догадке Гейзенберга: квантовая механика говорит нам не о том, что происходит во время протекания процесса, но о вероятности, которая связывает различные начальные и конечные состояния этого процесса. В нашем случае начальные и конечные состояния задаются всем, что происходит на границе пространственно-временной коробки.

Уравнения петлевой квантовой гравитации дают нам вероятность, связанную с заданной возможной границей коробки, – вероятность того, что шары покинут коробку в той или иной конкретной конфигурации, если они вошли в нее в определенной начальной конфигурации.

Как вычисляется эта вероятность? Вспомним фейнмановскую сумму по путям, которую я описывал, когда рассказывал о квантовой механике. Вероятности в квантовой гравитации вычисляются таким же способом – путем рассмотрения всех возможных «траекторий», имеющих те же граничные условия. Поскольку мы включаем в рассмотрение динамику пространства-времени, это означает рассмотрение всех возможных пространств-времён, имеющих такую же границу, как у нашей коробки.

Квантовая механика предполагает, что между начальной границей, через которую два шара входят в коробку, и конечной границей, где они выходят, нет ни определенного пространства-времени, ни определенных траекторий шаров. Имеется только квантовое «облако», в котором сосуществуют все возможные пространства-времена и все возможные траектории. Вероятность увидеть шары выходящими одним или другим способом можно рассчитать, суммируя по всем возможным пространствам-временам.

Спиновая пена

Если квантовое пространство имеет структуру спиновой сети, то какую структуру будет иметь пространство-время? На что похожи упомянутые пространства-времена, которые должны учитываться в расчетах?

Это должны быть истории спиновой сети. Представьте, что вы берете граф спиновой сети и двигаете его: каждый узел паутины прочертит линию, подобно шарам на рис. 7.1, а каждое ребро графа, двигаясь, рисует поверхность (например, движущийся отрезок рисует прямоугольник). Но есть и кое-что еще: узел может разделиться на два или более узла, так же как частица может распасться на две или более частицы. И наоборот, два или более узла могут объединиться в один. Таким образом, эволюционирующий граф порождает рисунок, подобный тому, что представлен на рис. 7.2.

Изображение, представленное справа на рис. 7.2, – это спиновая пена. Пена – потому что она состоит из поверхностей, которые встречаются вдоль линий, которые, в свою очередь, встречаются в вершинах, что напоминает пену из мыльных пузырей (рис. 7.3). Это спиновая пена – поскольку поверхности этой пены несут спины аналогично ребрам графа, эволюцию которых они описывают.

Рис. 7.2. Эволюционирующая спиновая сеть: три узла объединяются в один, а затем вновь разделяются. Справа – спиновая пена, представляющая этот процесс

Рис. 7.3. Пена из мыльных пузырей

Для расчета вероятности процесса надо просуммировать по всем возможным спиновым пенам внутри коробки, имеющим такую же границу, как в рассматриваемом процессе. Граница спиновой пены – это спиновая сеть с находящейся в ней материей.

Уравнения петлевой теории гравитации выражают вероятность процесса через суммы по спиновым пенам в заданных границах. На этом пути, в принципе, возможно вычислить вероятность любого физического события[106].

Рис. 7.4. Вершина спиновой пены. С разрешения Грэга Игана

На первый взгляд этот способ выполнения расчетов в квантовой гравитации, основанный на спиновой пене, кажется очень сильно отличающимся от обычных способов, которыми делаются вычисления в теоретической физике. Нет заданного пространства, нет заданного времени, а спиновая пена кажется объектом, чрезвычайно далеким от, скажем, частиц Стандартной модели. Однако в действительности есть очень сильное сходство между расчетами на основе спиновой пены и теми, что используются в Стандартной модели. Фактически здесь даже более чем сходство: техника спиновой пены – это на самом деле красивое объединение двух основных методов вычислений, используемых в контексте Стандартной модели – фейнмановских диаграмм и решетчатого приближения.

Фейнмановские диаграммы используются, например, для расчета процессов, в которых доминируют электромагнитные и слабые силы. Фейнмановская диаграмма представляет последовательность элементарных взаимодействий между частицами. На рис. 7.5 приведен пример, представляющий взаимодействия двух частиц или двух квантов поля. От левой частицы отделяются две другие частицы, одна из них, в свою очередь, распадается на две частицы, которые затем вновь объединяются и сливаются с правой частицей. Эта диаграмма изображает историю квантов в полях.

Рис. 7.5. Фейнмановская диаграмма

Решетчатое приближение используется, когда взаимодействие сильное и картина на уровне частиц становится неэффективной для описания физических процессов, например при расчете сильного взаимодействия между кварками внутри атомного ядра. Решетчатая техника строится на аппроксимации непрерывного физического пространства с помощью решетки, или сетки, как на рис. 7.6. Эта сетка рассматривается не как точное описание пространства, но лишь как приближение наподобие того, что используют инженеры, когда рассчитывают упругость моста, аппроксимируя свойства бетонных конструкций по методу конечных элементов. Эти два метода выполнения вычислений – фейнмановские диаграммы и решетка – самые эффективные техники в квантовой теории поля.

Рис 7.6. Сетка, аппроксимирующая физическое пространство-время

В квантовой гравитации происходит нечто очень красивое: эти два метода выполнения вычислений становятся одним и тем же. Пространственно-временная пена, изображенная на рис. 7.2 и используемая для расчета физических процессов в квантовой гравитации, может быть интерпретирована и как фейнмановская диаграмма, и как вычисление на решетке[107]. Таким образом, эти две техники вычислений, используемые в Стандартной модели, оказываются частными случаями единой техники – суммирования по спиновой пене квантовой гравитации.

Ранее я уже представлял уравнения Эйнштейна. И вновь я не могу противиться искушению привести здесь полную систему уравнений петлевой теории, несмотря на то что читатель, очевидно, не сможет их расшифровать, если только не предпримет глубокое погружение в математику. Кто-то однажды сказал, что теория не заслуживает доверия, если ее уравнения нельзя записать на футболке. На рис. 7.7 представлена такая футболка с петлевой квантовой гравитацией.

Рис. 7.7. Уравнения петлевой квантовой гравитации на футболке

Эти уравнения[108] – математическая форма изложения картины мира, которую я описывал в последних двух главах. Мы вовсе не уверены в правильности этих уравнений, но, по моему мнению, это лучшая из имеющихся на сегодня формулировок квантовой гравитации.

Пространство – это спиновая сеть, узлы которой представляют его элементарные зерна, а ребра описывают их отношения близости. Пространство-время порождается процессами, в которых эти спиновые сети превращаются друг в друга, и эти процессы описываются суммами по спиновым сетям. Спиновая пена представляет историю спиновой сети, то есть зернистого пространства-времени, в котором узлы графа объединяются и разделяются.

Эти микроскопические роящиеся кванты, которые порождают пространство и время, лежат в основе окружающей нас безмятежной макроскопической реальности. Каждый кубический сантиметр пространства и каждая проходящая секунда есть порождение этой танцующий пены крошечных квантов.

Из чего сделан мир?

Пространство как сцена исчезло, время исчезло, классические частицы исчезли, как и классические поля. Так из чего же состоит мир?

Ответ теперь прост: частицы – это кванты квантовых полей; свет образован квантами поля; пространство – это не более чем поле, которое также состоит из квантов; время появляется из процессов в тех же полях. Другими словами, мир целиком состоит из квантовых полей (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Из чего состоит мир? Из одного-единственного ингредиента – ковариантных квантовых полей

Эти поля не живут в пространстве-времени; они, так сказать, просто живут: одно поверх другого – поля на полях. Пространство и время, которые мы воспринимаем в крупных масштабах, это наш размытый и приблизительный образ одного из этих квантовых полей – гравитационного поля.

Поля, которые живут сами по себе, не нуждаясь в пространстве-времени в качестве субстрата или опоры, и которые способны сами порождать пространство-время, называются ковариантными квантовыми полями. Сущность, составляющая наш мир, радикально упростилась за последние годы. Мир, частицы, свет, энергия, пространство и время – все это есть не что иное, как проявление одного-единственного типа сущностей – ковариантных квантовых полей.

Ковариантные квантовые поля стали сегодня лучшим описанием того, что мы можем назвать апейроном (ἄπειρον) – первичной субстанцией, из которой образовано все остальное. Это понятие выдвинул человек, который, вероятно, может быть назван первым ученым и первым философом, – Анаксимандр[109].

Граница между искривленным и непрерывным пространством эйнштейновской общей теории относительности и дискретными квантами квантовой механики, помещенными в плоское однородное пространство, исчезает. Кажущегося противоречия больше нет. Между континуумом пространства-времени и квантами пространства отношения такие же, как между электромагнитными волнами и фотонами. Волны дают приближенное крупномасштабное представление о фотонах. Фотоны – это способ, которым взаимодействуют волны. Непрерывные пространство и время – это крупномасштабный образ динамичных квантов гравитации. Кванты гравитации – это способ, которым взаимодействуют пространство и время. Одна и та же математика согласованно описывает квантовое гравитационное поле и другие квантовые поля.

Концептуальная цена, уплаченная за это, – отказ от традиционных идей пространства и времени в качестве общих структур, в рамки которых помещается мир. Пространство и время – это приближения, которые возникают лишь в крупных масштабах. Кант, по-видимому, был прав, утверждая, что субъект знания и его объект неразделимы, но он определенно ошибался, когда рассматривал ньютоновские пространство и время как априорные формы знания, неотъемлемые составляющие грамматики, необходимой для понимания мира. Эта грамматика изменилась и продолжает изменяться с ростом нашего знания.

Общая теория относительности и квантовая механика в конечном счете не настолько несовместимы, как это кажется. При тщательном рассмотрении они пожимают руки и замечательно вступают в диалог. Пространственные отношения, которые составляют суть эйнштейновского искривленного пространства, это ровно те же взаимодействия, которые составляют суть отношений между системами в квантовой механике. Две теории становятся совместимыми и объединяются подобно двум сторонам одной монеты, как только мы понимаем, что пространство и время – это проявления квантового поля и что квантовые поля могут существовать, даже не будучи помещенными во внешнее пространство.

Эта утонченная картина фундаментальной структуры физического мира и есть предлагаемый сегодня квантовой гравитацией новый взгляд на реальность.

Главное преимущество, которое дает эта физика, состоит, как мы увидим в следующей главе, в исчезновении бесконечностей. Бесконечно малого больше не существует. Бесконечности, портящие жизнь в квантовой теории поля, предпосылкой которых служит представление о непрерывном пространстве, теперь исчезают, поскольку они порождаются именно этим физически некорректным допущением о непрерывности пространства. Сингулярности, в которых уравнения Эйнштейна теряют смысл, когда гравитационное поле становится слишком сильным, тоже исчезают: они возникают лишь в результате пренебрежения квантованием поля. Шаг за шагом фрагменты пазла встают на свои места. В последней части книги я остановлюсь на некоторых физических следствиях этой теории.

Может показаться странным и трудным думать о дискретных элементарных сущностях вне пространства и времени, отношения которых, однако, составляют суть пространства и времени. Но представьте, насколько странно должны были звучать слова Анаксимандра, когда он утверждал, что под нашими ногами находится такое же небо, как то, что мы видим у себя над головой. Или слова Аристарха, который пытался измерить расстояние от Земли до Луны и Солнца и обнаружил, что они находятся чрезвычайно далеко, а значит, представляют собой не небольшие шары, а гигантские, и Солнце многократно превосходит размерами Землю. Или выводы Хаббла, когда он понял, что маленькие туманные облачка не звездном небе – это колоссальные скопления далеких звезд…

В течение столетий мир вокруг нас постоянно изменялся и расширялся. Теперь мы видим дальше, понимаем его лучше и поражаемся тому, как он трансформируется в зависимости от ограничений, наложенных на наше восприятие. Его описание, которое нам удается построить, становится все более изощренным, но одновременно более простым.

Мы подобны маленьким слепым кротам под землей, которые почти ничего не знают о мире. Но мы продолжает его изучать…

Однако их рассказ об этой ночи,

Об их совместном извращеньи мыслей

Свидетельствует больше, чем о грезах,

И вырастает в подлинное нечто;

Хоть это все и странно, и чудесно.[110]

Часть IV

По ту сторону пространства и времени

Я обрисовал основы теории квантовой гравитации и картину мира, которая из нее вытекает. В этой последней части я описываю некоторые следствия этой теории, а именно, что она говорит о Большом взрыве и черных дырах. Я также рассказываю о текущем состоянии возможных экспериментов для проверки теории и о том, что, как мне кажется, хочет сказать нам природа, – в частности, о чем свидетельствует провал попыток пронаблюдать суперсимметричные частицы.

В заключение я выскажу некоторые соображения о том, что все еще ускользает от нашего понимания мира, в особенности о термодинамике и роли информации в теории без времени и пространства, такой как теория квантовой гравитации, а также о том, как появляется время.

Все это подводит нас к самому краю наших знаний о мире, к той смотровой площадке, откуда мы можем взглянуть на то, о чем мы еще совершенно ничего не знаем, – на глубочайшие тайны, которые нас окружают.

8

По ту сторону Большого взрыва

Мастер

В 1927 году молодой бельгийский ученый и католический священник, получивший иезуитское образование, изучил уравнения Эйнштейна и – как и Эйнштейн – понял, что, согласно этим уравнениям, Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Но вместо того чтобы безосновательно отвергнуть этот результат и упрямо пытаться его избежать, как поступил Эйнштейн, бельгийский священник поверил в него и стал искать астрономические данные для его проверки.

В то время галактики не назывались галактиками. Их называли туманностями, поскольку в телескоп они выглядят как маленькие бледные облака среди звезд. Никто еще не знал, что это колоссальные далекие звездные острова, подобные нашей собственной Галактике. Однако молодой бельгийский священник понимает, что скудные данные о галактиках на самом деле совместимы с возможностью расширения Вселенной: близкие к нам галактики удаляются с большой скоростью, словно ими кто-то выстрелил в небо; далекие галактики удаляются еще быстрее. Вселенная раздувается, подобно воздушному шарику. Два года спустя эта догадка подтверждается благодаря двум американским астрономам – Генриетте Левитт и Эдвину Хабблу. Левитт открывает хороший метод измерения расстояний от туманностей, подтвердивший, что они находятся очень далеко, за пределами нашей собственной Галактики. С помощью этого метода и большого телескопа Паломарской обсерватории Хаббл собирает точные данные, которые подтверждают, что галактики удаляются, а их скорости пропорциональны расстоянию до них.

Рис. 8.1. Генриетта Левитт

Но именно молодой бельгийский священник еще в 1927 году сделал ключевой вывод: если мы видим летящий вверх камень, значит, раньше он находился ниже и что-то швырнуло его вверх. Если мы видим удаляющиеся галактики и Вселенная расширяется, значит, раньше галактики были ближе, а Вселенная была меньше и что-то заставило ее начать расширяться. Молодой бельгийский священник выдвигает предположение, что Вселенная изначально была чрезвычайно маленькой и плотной и начала свое расширение с гигантского взрыва. Он называет это начальное состояние первоатомом. Сегодня мы знаем его как Большой взрыв.

Молодого бельгийца звали Жорж Леметр. По-французски его имя звучит как le maître, что означает «мастер», – трудно найти более подходящее имя для человека, который первым осознал факт Большого взрыва. Но, несмотря на свое имя, Леметр имел очень сдержанный характер; он избегал полемики и никогда не настаивал на своем приоритете в открытии расширения Вселенной, которое в итоге стали приписывать Хабблу. Два эпизода из его жизни иллюстрируют глубину его ума. Первый касается Эйнштейна, второй – папы римского.

Как уже упоминалось, Эйнштейн скептически отнесся к идее расширения Вселенной. Он вырос с мыслью, что Вселенная статична, и не мог принять идею, что это не так. Даже великие совершают ошибки и склонны к предубеждениям. Леметр встретился с Эйнштейном и попытался пошатнуть его предубеждения. Эйнштейн был непреклонен и дошел до того, что сказал Леметру: «Правильные вычисления, отвратительная физика». Позднее Эйнштейн был вынужден признать правоту Леметра. Не всякому дано опровергнуть Эйнштейна.

Эта ситуация повторилась еще раз. Эйнштейн ввел в свои уравнения небольшое, но важное дополнение – космологическую постоянную, о которой я писал в главе 3, в (ошибочной) попытке заставить уравнения описывать статическую Вселенную. Когда он признал, что Вселенная не статична, то отверг космологическую постоянную. Леметр во второй раз попытался убедить его изменить свое мнение: космологическая постоянная не делает Вселенную статичной, но она, тем не менее, правомерна и нет оснований ее отбрасывать. В этот раз Леметр тоже оказался прав: космологическая постоянная вызывает ускоренное расширение Вселенной, и это ускорение недавно было измерено. И вновь Эйнштейн ошибался, а Леметр оказался прав.

Рис. 8.2. Жорж Леметр. Авторские права Архива Жоржа Леметра, Лёвен

Когда идея появления Вселенной в Большом взрыве стала признаваться, папа Пий XII в публичном выступлении (22 ноября 1951 года) объявил, что эта теория подтверждает сотворение мира, описанное в Книге Бытия[111]. Леметр с большим беспокойством отреагировал на заявление папы. Он связался с научным советником понтифика и приложил большие усилия к тому, чтобы убедить папу не увязывать божественное творение с Большим взрывом. Леметр был убежден, что подобным образом смешивать науку и религию глупо и неоправданно: Библия ничего не знает о физике, а физика ничего не знает о Боге[112]. Пий XII согласился с его аргументацией, и католическая церковь никогда больше не делала публичных заявлений по этому вопросу. Не каждому выпадает честь опровергнуть папу.

И конечно, на этот раз Леметр тоже был прав: сегодня много говорят о том, что Большой взрыв – это не настоящее начало, что до него могла существовать другая вселенная. Только подумайте, в каком неудобном положении оказалась бы сегодня католическая церковь, если бы приняла официальную доктрину, что Большой взрыв и Творение – одно и то же. «Да будет свет!» превратилось бы во «Включите свет снова!».

Состязаться с Эйнштейном и папой, убеждая их, что они ошибаются, и оба раза оказаться правым – это впечатляющий результат. «Мастер» оправдал свое имя.

Сегодняшние данные не оставляют сомнений: Вселенная в далеком прошлом была чрезвычайно горячей и чрезвычайно плотной, и с тех пор она расширяется. Мы можем в деталях реконструировать историю Вселенной, начиная с ее первичного горячего и плотного состояния. Мы знаем, как образовались атомы, элементы, галактики и звезды и как развивалась известная нам Вселенная. Недавние тщательные наблюдения излучения, которое заполняет Вселенную, выполненные спутником «Планк», вновь в полном объеме подтвердили теорию Большого взрыва. Мы знаем с высокой степенью уверенности, что происходило с крупномасштабной структурой нашей Вселенной в течение последних 14 миллиардов лет, начиная с того момента, когда она была огненным сгустком.

Задумайтесь: первоначально выражение «теория Большого взрыва» было вброшено оппонентами теории, чтобы высмеять идею, которая казалась абсурдной… А в итоге мы все убеждены в том, что 14 миллиардов лет назад Вселенная была плотным огненным сгустком.

Но что же было до этого начального горячего и плотного состояния?

Возвращаясь назад во времени, мы видим, что температура растет наряду с плотностью вещества и энергии. В некоторый момент они достигают планковского масштаба – 14 миллиардов лет назад. В этой точке уравнения общей теории относительности перестают работать, поскольку больше нельзя игнорировать квантовую механику. Мы попадаем в царство квантовой гравитации.

Квантовая космология

Для понимания того, что случилось 14 миллиардов лет назад, нам нужна квантовая гравитация. Что петлевая теория говорит нам по этому вопросу?

Рассмотрим аналогичную, но более простую ситуацию. Согласно классической механике, электрон, падающий прямо на атомное ядро, должен быть поглощен им и исчезнуть. Но в реальности все происходит иначе. Классическая механика неполна, и необходимо принимать во внимание квантовые эффекты. Реальный электрон – это квантовый объект, и он не движется по точной траектории: его невозможно удержать в слишком малой области. Чем больше его сжимают, тем быстрее он ускользает. Если мы хотим остановить его возле ядра, то самое большее, что можно сделать, это вынудить его занять орбиту, соответствующую по размерам самой маленькой атомной орбитали: ближе к ядру он держаться не может. Квантовая механика не позволяет реальному электрону упасть в ядро. Квантовое отталкивание выталкивает электрон, когда он оказывается слишком близко к центру. Таким образом, материя оказывается устойчивой благодаря квантовой механике. Без нее электроны падали бы в ядра, атомов бы не существовало, а значит, и нас тоже.

То же самое происходит со Вселенной. Представим себе Вселенную, сжимающуюся и становящуюся чрезвычайно маленькой, сжатой под действием собственного веса. Согласно уравнениям Эйнштейна, Вселенная сжималась бы до бесконечности и полностью исчезла бы в центральной точке подобно электрону, падающему в ядро. Таков Большой взрыв, предсказываемый эйнштейновскими уравнениями, если мы игнорируем квантовую механику.

Но если принять во внимание квантовую механику, то Вселенная не может бесконечно сжиматься. Квантовое отталкивание заставляет ее отскакивать. Сжимающаяся Вселенная не коллапсирует в точку – она отскакивает и вновь начинает расширяться, как если бы она возникла в космическом взрыве (рис. 8.3).

Прошлое нашей Вселенной, таким образом, вполне может быть результатом такого гигантского отскока. Его, в отличие от Большого взрыва, называют Большим отскоком. По-видимому, он вытекает из уравнений петлевой квантовой теории гравитации, когда они применяются к расширению Вселенной.

Эту картину отскока не следует воспринимать буквально. Возвращаясь к примеру с электроном, вспомним, что если мы хотим поместить электрон как можно ближе к атому, электрон перестает быть частицей; вместо этого о нем следует думать как об облаке вероятностей. Точное положение больше не имеет смысла для электрона. То же самое и для Вселенной: мы не можем больше думать о едином, пусть и зернистом, пространстве-времени, но только о размазанном облаке вероятностей, в котором время и пространство бешено флуктуируют. При Большом отскоке мир растекается роящимся облаком вероятностей, которые по-прежнему можно описывать уравнениями.

Рис. 8.3. Большой отскок Вселенной в графическом представлении Франчески Видотто, итальянского ученого, впервые использовавшего спиновую пену для расчета вероятности этого процесса

Наша Вселенная, таким образом, может быть результатом коллапса предыдущей сжимающейся вселенной, прошедшей через квантовую фазу, в которой пространство и время растворяются в вероятностях.

Слово «вселенная» становится неоднозначным. Если «вселенная» означает «все, что существует», то, по определению, другой вселенной быть не может. Но в космологии за словом

«вселенная» закрепилось другое значение – оно обозначает пространственно-временной континуум, который мы непосредственно видим вокруг себя, заполненный галактиками, форму и историю которых мы наблюдаем. Нет оснований для уверенности, что в этом смысле данная Вселенная – единственная существующая. Мы можем реконструировать прошлое вплоть до времени, когда, по представлению Джона Уилера, пространственно-временной континуум распадается, подобно морской пене, и фрагментируется в квантовое облако вероятностей, и нет причин отбрасывать возможность, что за этой горячей пеной может быть другой пространственно-временной континуум, подобный тому, который мы воспринимаем вокруг себя.

Вероятность для Вселенной пройти фазу Большого отскока, перейдя от сжатия к расширению, можно рассчитать с помощью метода, описанного в предыдущей главе, – метода пространственно-временных коробок. Уже выполнены расчеты с использованием спиновой пены, которая связывает сжимающуюся вселенную с расширяющейся.

Всё это пока находится на стадии рекогносцировочных изысканий, но замечательным является тот факт, что у нас сегодня есть уравнения, с помощью которых можно описывать такие события. Мы начинаем осторожно, чисто теоретически, заглядывать по ту сторону Большого взрыва.

9

Эмпирические подтверждения?

Претензии квантовой космологии идут дальше вдохновляющих теоретических исследований того, что бы могло быть по ту сторону Большого взрыва. Есть и другая причина для изучения квантовой теории гравитации применительно к космологии: эти исследования могут позволить проверить, действительно ли верна эта теория.

Наука работает, поскольку за гипотезами и рассуждениями, за интуицией и озарениями, за уравнениями и вычислениями следует проверка – на правильном мы пути или нет: теория дает предсказания о явлениях, которых мы еще не наблюдали, и можно проверить, верны они или нет. Сила науки именно в том, что ее надежность обоснована, и это позволяет нам быть в ней уверенными: мы можем проверить, верна теория или нет. Именно это отличает науку от других видов мышления, в которых решение о том, кто прав, а кто ошибается, представляет собой гораздо более трудный вопрос, порой даже лишенный смысла.

Когда Леметр защищал идею расширяющейся Вселенной, а Эйнштейн в это не верил, один из них ошибался, а другой был прав. Все достижения Эйнштейна, его слава, его влияние на научный мир, его колоссальный авторитет ничего не стоили. Наблюдения доказали, что он ошибался, – игра окончена. Скромный бельгийский священник оказался прав. Вот почему научное мышление обладает такой силой.

Социология науки проливает свет на сложность процесса научного понимания; как и любое другое начинание человека, этот процесс полон иррациональности, пересекается с борьбой за власть и подвержен всем видам социальных и культурных влияний. И тем не менее, несмотря на все это и вопреки преувеличениям некоторых постмодернистов, культурных релятивистов и им подобных, всё это не умаляет практической и теоретической эффективности научного мышления. Поскольку в итоге в большинстве случаев можно установить со всей ясностью, кто прав, а кто нет. И даже великий Эйнштейн может быть вынужден сказать: «Увы… Я ошибался!» – и он так говорил. Наука – это лучшая стратегия, если мы ценим надежность.

Это не значит, что наука – лишь искусство делать измеримые предсказания. Некоторые философы склонны ограничивать предназначение науки одними только численными предсказаниями. Они упускают суть, поскольку путают инструменты с целями. Проверяемые количественные предсказания – это инструмент верификации гипотез. Цель научного исследования не просто получение предсказаний, она состоит в понимании того, как устроен мир, в разработке и развитии картины мира – концептуальной структуры, позволяющей нам размышлять о нем. Прежде чем стать техничной, наука является эвристичной.

Проверяемые предсказания – это отточенный инструмент, позволяющий нам обнаруживать свое непонимание. Теория без эмпирического подтверждения – это теория, которая еще не сдала свои экзамены. Экзамены никогда не заканчиваются, и теория не подтверждается полностью ни одним, ни двумя, ни тремя экспериментами. Но она последовательно, шаг за шагом наращивает свою надежность по мере того, как ее предсказания оказываются верными. Такие теории, как квантовая механика и общая теория относительности, первоначально приводившие многих в замешательство, постепенно заслужили доверие, когда все их предсказания – даже самые экстравагантные – со временем подтверждались экспериментами и наблюдениями.

Важность экспериментальных доказательств, с другой стороны, не означает, что без новых экспериментальных данных мы не можем двигаться вперед. Часто говорят, что наука развивается только тогда, когда есть новые экспериментальные данные. Если бы это было правдой, у нас было бы мало надежды построить теорию квантовой гравитации, прежде чем мы сможем измерить что-то новое, но это определенно не так. Какие новые данные стали доступны Копернику? Никаких. У него были те же данные, что и у Птолемея. Какие новые данные получил Ньютон? Почти никаких. Главными составляющими для него были законы Кеплера и труды Галилея. Какие новые данные получил Эйнштейн, чтобы открыть общую теорию относительности? Никаких. Для него главными составляющими были специальная теория относительности и ньютоновская теория. Абсолютно неверно, будто физика развивается, только когда получает новые данные.

Достижения Коперника, Ньютона, Эйнштейна и многих других состояли в том, что, опираясь на ранее известные теории, в которых отражалось эмпирическое знание об огромных областях реальности, они находили пути их объединения и переосмысления для усовершенствования общей картины мира.

Это основа, на которой строятся лучшие исследования по квантовой гравитации. Источник знаний, как и всегда в науке, в конечном счете эмпирический. Однако данные, на которых строится квантовая гравитация, – это не новые эксперименты, а теоретические доктрины, которые уже структурировали наши знания о мире в формах, которые лишь отчасти согласованы между собой. «Экспериментальные данные» для квантовой гравитации – это общая теория относительности и квантовая механика. Опираясь на них, пытаясь понять, как можно сделать более согласованной картину мира, в котором есть и кванты, и искривленное пространство, мы пытаемся смотреть вперед, в неведомое.

Нас вдохновляет невероятный успех гигантов – Ньютона, Эйнштейна и Дирака, которые ранее уже оказывались в подобных ситуациях. Мы не претендуем на их масштаб, но у нас есть преимущество – возможность стоять на их плечах, и это позволяет нам смотреть дальше, чем они. Так или иначе, нам ничего не остается, кроме как пытаться это сделать.

Следует отличать улики от строгих доказательств. Улики – это то, что наводило Шерлока Холмса на правильный путь, позволяя ему распутывать загадочные дела. Строгие доказательства – это то, что нужно судье для вынесения обвинительного приговора. Улики подсказывают нам правильный путь к корректной теории. Строгие доказательства позволяют впоследствии с уверенностью говорить, хороша построенная нами теория или нет. Без улик мы будем вести поиски не в тех направлениях. Без доказательств теория не будет надежной.

Все сказанное применимо и к квантовой гравитации. Эта теория находится сейчас в младенческой стадии. Ее теоретический аппарат лишь обретает твердость, а фундаментальные идеи нуждаются в прояснении. Улики хороши и конкретны, но подтвержденных предсказаний пока нет. Эта теория еще не сдала свои экзамены.

Сигналы от природы

Наиболее изученная альтернатива исследованиям, описанным в этой книге, – это теория струн. Большинство физиков, которые занимались теорией струн или связанными с ней теориями, ожидали, что как только начнет работать новый ускоритель частиц в ЦЕРНе (БАК, или Большой адронный коллайдер), сразу будут обнаружены частицы нового типа, которые никогда прежде не наблюдались, но предсказывались теорией, – суперсимметричные частицы. Теория струн нуждается в этих частицах для самосогласованности, вот почему струнные теоретики с нетерпением ждали их обнаружения. С другой стороны, петлевая квантовая гравитация хорошо определена даже без суперсимметричных частиц. Петлевые теоретики склонны думать, что этих частиц может и не существовать.

К огромному разочарованию многих исследователей, суперсимметричные частицы не были обнаружены. Фанфары, которыми было отмечено открытие бозона Хиггса в 2013 году, немного замаскировали это разочарование. Суперсимметричных частиц не оказалось в том диапазоне энергий, где многие струнные теоретики ожидали их найти. Это ничего не доказывает окончательно – об этом речи пока нет, – но природа подбросила небольшой аргумент в пользу петель.

За последние годы в области фундаментальной физики было получено три крупных экспериментальных результата. Первым из них стало открытие бозона Хиггса в ЦЕРНе (рис. 9.1). Второй – это измерения, сделанные спутником «Планк» (рис. 9.2), данные которого, подтверждающие стандартную космологическую модель, также были опубликованы в 2013 году. Третий результат – это впервые зарегистрированные гравитационные волны, о чем было объявлено в начале 2016 года. Эти три сигнала природа подала нам за последнее время.

Между этими тремя результатами есть нечто общее – полное отсутствие неожиданностей. Это не умаляет их значимости, скорее наоборот, придает им более глубокий смысл. Открытие бозона Хиггса – это железобетонное подтверждение правильности идей, стоящих за Стандартной моделью элементарных частиц, основанной на квантовой механике. Это подтверждение предсказания, сделанного тридцать лет назад. Измерения «Планка» – это надежное подтверждение Стандартной космологической модели, основанной на общей теории относительности с космологической постоянной. Обнаружение гравитационных волн – это тоже впечатляющее подтверждение общей теории относительности, созданной сто лет назад. Все три результата получены благодаря невероятным технологическим достижениям и плотному сотрудничеству сотен ученых, занятых углублением нашего понимания строения Вселенной. Ничего неожиданного.

Рис. 9.1. Событие в ЦЕРНе, которое показывает образование частицы Хиггса

Рис. 9.2. Спутник «Планк»

Однако такое отсутствие сюрпризов само по себе воспринимается как сюрприз, поскольку многие надеялись встретить что-то неожиданное, некую «новую физику», еще не описанную устоявшимися теориями. Они предполагали, что в ЦЕРНе будет открыта суперсимметрия, а не бозон Хиггса. Также многие ждали, что «Планк» обнаружит отклонения от Стандартной космологической модели, которые будут свидетельствовать в пользу космологических моделей, альтернативных тем, что основаны на общей теории относительности.

Но нет. Природа подтверждает простую версию: общая теория относительности и квантовая механика, а в рамках квантовой механики – Стандартная модель.

Сегодня многие физики-теоретики ищут новые теории путем произвольного выбора гипотез: «Представим, что…» Не думаю, что на таком пути в науке можно получить хорошие результаты. Наша фантазия слишком ограниченна, чтобы «представить», как может быть устроен мир, если только мы не вдохновляемся в наших поисках теми уликами, которые есть в нашем распоряжении. Имеющиеся улики – наши подсказки – это либо показавшие свою успешность теории, либо новые экспериментальные данные, и ничего иного. Именно в этих данных и теориях следует пытаться открыть то, что пока недоступно нашему воображению. Именно так действовали Коперник, Ньютон, Максвелл и Эйнштейн. Они никогда не пытались просто угадать новую теорию, в отличие от того, как, на мой взгляд, пытаются действовать сегодня многие физики-теоретики.

Три названных мною экспериментальных результата говорят голосом самой Природы: «Кончайте выдумывать новые поля и странные частицы, дополнительные измерения, другие симметрии, параллельные вселенные, струны и все тому подобное. Детали пазла проще: общая теория относительности, квантовая механика и Стандартная модель. Следующий шаг вперед может быть “лишь” вопросом их правильного комбинирования».

Это обнадеживающее сообщение для сообщества петлевой квантовой гравитации, поскольку гипотезы, лежащие в основе этой теории – общая теория относительности, квантовая механика, совместимость со Стандартной моделью и ничего больше. Радикальные концептуальные выводы – кванты пространства, исчезновение времени – это не смелые гипотезы, а рациональные следствия, вытекающие из принятия всерьез фундаментальных положений наших лучших теорий.

Еще раз подчеркну: у нас нет надежных доказательств. Супер-симметричные частицы все же могут существовать, например, в масштабах, которых мы еще не достигли, и они могут существовать, даже если верна петлевая теория. Суперсимметрия не проявилась там, где ее ожидали, в результате чего сторонники теории струн немного приуныли, а у петлевых теоретиков настроение приподнялось, но все это по-прежнему вопрос улик, никаких твердых доказательств пока нет.

Чтобы найти более надежные подтверждения этой теории, надо посмотреть в другую сторону. Ранняя Вселенная открывает перед нами окно для предсказаний, которые способны подтвердить теорию. Или же опровергнуть ее. Причем у нас есть основания надеяться, что произойдет это в не столь отдаленном будущем.

Окно с видом на квантовую гравитацию

Если у нас есть уравнения, описывающие переход Вселенной через квантовую фазу, мы можем рассчитать влияние квантовых явлений на Вселенную, какой мы ее наблюдаем сегодня. Вселенная заполнена излучением: это море фотонов, сохранившихся в космосе с ранней горячей фазы, остаточное свечение от прежнего высокотемпературного состояния.

Электромагнитное поле в необозримом космическом пространстве между галактиками покрыто рябью подобно морской поверхности после сильного шторма. Это волнение, заполняющее всю Вселенную, называется реликтовым излучением, или космическим микроволновым фоном. В прошлые годы его изучали спутники COBE и WMAP, а совсем недавно – «Планк». Картина ничтожных флуктуаций этого излучения представлена на рис. 9.3. Особенности структуры этого излучения рассказывают нам об истории Вселенной, а в деталях этой структуры могут быть скрыты следы ее квантового рождения.

Одно из наиболее активных направлений исследования в петлевой квантовой гравитации – это изучение того, как на этих данных отражается квантовая динамика первичной Вселенной.

Рис. 9.3. Флуктуации космического микроволнового фона. Это изображение самого старого объекта во Вселенной, доступного нашим наблюдениям. Флуктуации, которые здесь видны, были порождены 14 миллиардов лет назад. В их статистике мы надеемся найти подтверждение предположениям квантовой гравитации

Результаты пока предварительные, но вдохновляющие. Дополнительные вычисления и более точные измерения должны сделать возможной проверку этой теории.

В 2013 году Абэй Аштекар, Айвен Агулло и Уильям Нельсон опубликовали статью, в которой рассчитали, что при некоторых дополнительных предположениях статистическое распределение флуктуаций этого космического излучения должно демонстрировать влияние первичного отскока: широкоугольные флуктуации должны отличаться от тех, которые предсказываются теорией, не принимающей во внимание кванты. Современное состояние измерений представлено на рис. 9.4, где черная линия соответствует предсказанию Аштекара, Агулло и Нельсона, а серые точки – данным измерений. Пока данных недостаточно, чтобы оценить, имеет ли место предсказанный авторами загиб черной линии вверх. Но измерения становятся все более точными. Ситуация продолжает меняться. Те, кто, как и я, всю жизнь занимаются поисками понимания секретов квантового пространства, с большим вниманием, тревогой и надеждой следят за непрерывным ростом наших возможностей наблюдать, измерять и вычислять и ждут момента, когда природа наконец ответит, правы мы или нет.

Рис. 9.4. Возможное предсказание спектра фонового излучения в петлевой квантовой гравитации (сплошная линия) в сравнении с разбросом текущих экспериментальных данных (точки). С разрешения А. Аштекара, А. Агулло и У. Нельсона

Следы этого колоссального первичного разогрева должны также оставаться в самом гравитационном поле. Гравитационное поле, то есть само пространство, тоже должно быть покрыто рябью подобно поверхности моря. Поэтому должно существовать космическое гравитационное фоновое излучение – еще более старое, чем электромагнитное, поскольку гравитационные волны в меньшей степени подвержены влиянию вещества, чем электромагнитные, и способны без искажений распространяться даже тогда, когда Вселенная была слишком плотной, чтобы через нее могли проходить электромагнитные волны.

Мы смогли непосредственно наблюдать гравитационные волны с помощью детектора LIGO. Его два плеча длиной несколько километров расположены под прямым углом друг к другу и в них с помощью лазерных лучей измеряется расстояние между тремя фиксированными точками. Когда проходит гравитационная волна, пространство едва заметно растягивается и сжимается, и лазеры способны зафиксировать эти ничтожные вариации[113]. Наблюдавшиеся гравитационные волны были порождены астрофизическими событиями – столкновениями черных дыр. Эти явления описываются общей теории относительности без обращения к квантовой гравитации. Однако более масштабный эксперимент LISA, находящийся сейчас на стадии рассмотрения, сможет проделывать то же самое в гораздо больших масштабах. Он предполагает выведение трех спутников, причем не на околоземную, а на околосолнечную орбиту, как если бы они были малыми планетами, сопровождающими Землю по ее орбите. Эти три спутника будут связаны лазерными лучами, измеряющими расстояния между ними, или, лучше сказать, изменения этих расстояний при прохождении гравитационной волны. Если эксперимент LISA будет запущен, он сможет регистрировать не только гравитационные волны, порожденные звездами и черными дырами, но и диффузный фон первичных гравитационных волн, возникших в период, близкий к Большому взрыву. Эти волны должны нести информацию о квантовом отскоке.

В этих крошечных неоднородностях пространства мы сможем обнаружить следы событий, которые происходили 14 миллиардов лет назад при возникновении нашей Вселенной, и подтвердить наши выводы о природе пространства и времени.

10

Квантовые черные дыры

Черных дыр в нашей Вселенной очень много. Это области, в которых пространство настолько искривлено, что замыкается на себя, а время замирает. Как уже говорилось, они образуются, когда звезда сжигает весь доступный ей водород и коллапсирует.

Часто сколлапсировавшая звезда входит в состав двойной звезды. В этом случае черная дыра и ее «живой» партнер будут обращаться друг вокруг друга; при этом черная дыра непрерывно затягивает вещество другой звезды (рис. 10.1).

Астрономы обнаружили множество черных дыр величиной (то есть массой) порядка нашего Солнца (на самом деле несколько массивнее). Но существуют также гигантские черные дыры. По крайней мере одна такая есть в центре почти каждой галактики, включая нашу собственную.

Рис. 10.1. Пара из обычной звезды и черной дыры. Звезда теряет вещество, которое частично поглощается черной дырой, а частично выбрасывается в виде струй (джетов) в направлении ее полюсов

Черная дыра в центре нашей Галактики сейчас подробно изучается. Ее масса в миллион раз больше солнечной. Всякий раз, когда какая-нибудь звезда подлетает слишком близко к этому монстру, гравитационные деформации разрушают ее, и циклопическая черная дыра проглатывает ее, как кит маленькую рыбку. Представьте себе монстра размером в миллион солнц, который в мгновение ока проглатывает наше Солнце с его миниатюрными планетками…[114]

Сейчас реализуется замечательный проект по созданию сети радиоантенн, разбросанных по всей Земле от полюса до полюса, с помощью которых астрономы достигнут разрешения, достаточного, чтобы «увидеть» центральную черную дыру нашей Галактики. Мы надеемся разглядеть маленький черный диск, окруженный светом, испускаемым падающей на черную дыру материей.

То, что попадает в черную дыру, никогда не выходит обратно, по крайней мере, если мы игнорируем квантовую теорию. Поверхность черной дыры подобна настоящему моменту во времени – пройти ее можно только в одном направлении. Из будущего нет возврата. Для черной дыры прошлое – это внешняя область, а будущее – внутренняя. Если смотреть снаружи, черная дыра подобна сфере, в которую можно погрузиться, но из которой ничто не выходит обратно. Ракета может зависнуть на фиксированном расстоянии от этой сферы, которую называют горизонтом черной дыры. Для этого двигателям придется очень интенсивно работать, сопротивляясь гравитационному притяжению дыры. Мощная гравитация черной дыры приведет к замедлению времени на ракете. Если ракета зависнет в течение часа достаточно близко к горизонту, а затем вернется назад, окажется, что вовне тем временем прошли столетия. Чем ближе к горизонту останавливается ракета, тем медленнее по отношению к внешнему миру течет ее время. Так что путешествовать в прошлое проблематично, а путешествовать в будущее легко: достаточно подлететь поближе к черной дыре, побыть некоторое время в ее окрестностях, а затем вернуться.

На самом горизонте время останавливается: если мы подлетим совсем близко к нему и всего через несколько минут по нашим часам улетим обратно, в остальной Вселенной может пройти миллион лет.

По-настоящему удивительно то, что свойства этих рутинно наблюдаемых сегодня странных объектов были предсказаны эйнштейновской теорией. Сегодня астрономы изучают эти объекты в пространстве, но еще не так давно черные дыры рассматривались как малоправдоподобные и диковинные следствия экстравагантной теории. Я помню, как мой университетский профессор говорил о них как о решениях уравнений Эйнштейна, которым «вряд ли соответствуют какие-то реальные объекты». Это пример поразительной способности теоретической физики открывать то, чего еще никто не наблюдал.

Рис. 10.2. Поверхность черной дыры, пересекаемая петлями, то есть ребрами спиновой сети, которая описывает состояние гравитационного поля. Каждая петля соответствует кванту площади поверхности черной дыры. © Джон Баез

Черные дыры, которые мы наблюдаем, хорошо описываются теорией Эйнштейна, и для их понимания не требуется квантовая механика. Но есть две загадки черных дыр, для раскрытия которых необходима квантовая механика, и для каждой из них петлевая теория предлагает возможное решение. Одна из них также дает возможность проверки этой теории.

Первое приложение квантовой гравитации к черным дырам связано с забавным фактом, открытым Стивеном Хокингом. В начале 1970-х годов он пришел к теоретическому выводу о том, что черные дыры «горячие». Они ведут себя как нагретые тела – испускают излучение. При этом они теряют энергию, а значит и массу (поскольку энергия и масса – это одно и то же), постепенно становясь все меньше. Они испаряются. Это испарение черных дыр – самое значительное открытие, сделанное Хокингом.

Предметы бывают горячими, поскольку их микроскопические составляющие движутся. В горячем куске железа, например, атомы железа очень быстро колеблются вокруг своих равновесных положений. Горячий воздух горяч потому, что молекулы в нем движутся быстрее, чем в холодном воздухе.

Что за элементарные «атомы» колеблются в черных дырах, делая их горячими? Хокинг оставил этот вопрос без ответа. Петлевая теория дает возможный ответ. Элементарные атомы, которые вибрируют в черной дыре и тем самым наделяют ее температурой, – это отдельные кванты пространства на ее поверхности.

Таким образом, с помощью петлевой теории удается понять странное тепло черных дыр, предсказанное Хокингом: это тепло – результат микроскопических колебаний отдельных атомов пространства. Они колеблются, поскольку в мире квантовой механики колеблется всё, ничто не остается неподвижным. Самая суть квантовой механики состоит в невозможности заставить что-либо полностью замереть на продолжительное время. Тепло черных дыр напрямую связано с флуктуациями атомов пространства в петлевой квантовой гравитации. Точное положение горизонта черной дыры определяется с точностью до этих микроскопических флуктуаций гравитационного поля. Поэтому, в некотором смысле, горизонт флуктуирует как нагретое тело.

Есть и другой способ понимания природы тепла черных дыр. Квантовые флуктуации порождают корреляции между внутренней и внешней областями дыры. (Я подробно остановлюсь на корреляциях и температуре в главе 12.) Квантовая неопределенность на горизонте черной дыры порождает флуктуации геометрии горизонта. Однако флуктуации подразумевают вероятность, а вероятность влечет за собой термодинамику, и, как следствие, температуру. Скрывая от нас часть Вселенной, черная дыра делает свои квантовые флуктуации воспринимаемыми в форме тепла.

Молодой итальянский ученый Евгенио Бианчи, ныне ставший профессором в Соединенных Штатах, выполнил элегантные вычисления, которые демонстрируют, что, отталкиваясь от этих идей и фундаментальных уравнений квантовой теории гравитации, можно вывести формулу для температуры черных дыр, которая впервые была предсказана Хокингом (рис. 10.3).

Второе приложение петлевой квантовой гравитации к физике черных дыр еще более впечатляющее. Сколлапсировавшая звезда исчезает для внешнего наблюдателя: она находится внутри черной дыры. Но что происходит с ней внутри дыры? Что вы увидите, если сами упадете в дыру?

Рис. 10.3. Стивен Хокинг и Евгенио Бианчи. На доске – ключевые уравнения петлевой теории гравитации, которые описывают черные дыры

Поначалу ничего особенного: вы пересечете поверхность черной дыры без серьезного ущерба, а затем вас станет тянуть к центру со все большей скоростью. Что же дальше? Общая теория относительности предсказывает, что в центре всё сжимается в бесконечно малого размера точку с бесконечной плотностью. Но это, опять же, если игнорировать квантовую теорию.

Если же принять во внимание квантовую гравитацию, это предсказание перестает быть корректным, ведь существует квантовое отталкивание, такое же, как отталкивание, заставившее Вселенную отскочить в момент Большого взрыва. Мы ожидаем, что с приближением к центру падающая материя станет замедляться этим квантовым давлением и достигнет очень высокой, но конечной плотности. Материя сдавливается, но не в бесконечно малую точку, поскольку есть предел того, насколько малы могут быть объекты. Квантовая гравитация порождает огромное давление, которое заставляет материю отскакивать, в точности как коллапсирующая Вселенная может отскочить и стать расширяющейся.

Отскок коллапсирующей звезды может быть очень быстрым, если смотреть на него изнутри. Но, напоминаю, время там течет намного медленнее, чем снаружи. При наблюдении извне этот процесс отскока может занять миллиарды лет. По прошествии этого времени мы увидим, как черная дыра взрывается. В конечном счете черная дыра фактически оказывается коротким путем в отдаленное будущее.

Итак, квантовая гравитация, возможно, предсказывает, что черные дыры – это вовсе не вечные стабильные объекты, как в классической общей теории относительности. В конечном счете они неустойчивы.

Наблюдение такого взрыва черной дыры стало бы впечатляющим подтверждением теории. Очень старые черные дыры, из тех, что образовались в ранней Вселенной, могут взрываться сегодня. Из некоторых недавних расчетов вытекает, что сигналы от их взрывов могут наблюдаться радиотелескопами. Было даже высказано предположение, что некие загадочные радиоимпульсы, которые радиоастрономы уже регистрируют и называют быстрыми радиовсплесками, могут как раз и оказаться сигналами, возникающими при взрыве первичных черных дыр. В случае подтверждения этого предположения мы получим поистине фантастический результат: прямое наблюдение квантового гравитационного явления. Остается только подождать…

11

Конец бесконечности

Когда мы принимаем во внимание квантовую гравитацию, неограниченное сжатие Вселенной в одну бесконечно малую точку, предсказываемое общей теорией относительности для момента Большого взрыва, отменяется. Квантовая гравитация открывает нам, что не существует бесконечно малых точек. Есть нижний предел делимости пространства. Вселенная не может быть меньше планковского масштаба, поскольку не существует ничего меньшего размера.

Если игнорировать квантовую механику, то существование этого нижнего предела не принимается во внимание. Это и есть патологическая ситуация, предсказываемая общей теорией относительности, в которой появляются бесконечные величины, называемые сингулярностями. Квантовая гравитация ставит предел бесконечности и «излечивает» общую теорию относительности от патологических сингулярностей.

То же самое происходит в центре черной дыры: сингулярность классической общей теории относительности исчезает, как только мы принимаем в расчет квантовую гравитацию.

Существует и другого рода ситуация, связанная с электромагнетизмом, в которой квантовая гравитация ставит предел бесконечности. Квантовая теория поля, которую начал создавать Дирак, а завершили в 1950-х годах Фейнман с коллегами, хорошо описывает эти силы, но полна математических нелепостей. При ее использовании для расчета физических процессов мы часто получаем бесконечные бессмысленные результаты. Они называются расходимостями. Расходимости потом исключаются из расчетов с помощью странной технической процедуры, приводящей к конечным итоговым результатам. Этот метод работает на практике и дает верные значения, которые воспроизводятся в экспериментальных измерениях. Но почему теории приходится продираться через бесконечности, чтобы прийти к осмысленным числам?

В последние годы своей жизни Дирак был крайне разочарован бесконечностями в своей теории и, судя по всему, чувствовал, что его цель – истинное понимание того, как устроен мир, – не была достигнута. Дирак любил концептуальную ясность, даже если очевидное для него не всегда было ясно другим. Но бесконечности не способствуют ясности.

Однако бесконечности квантовой теории поля вытекают из лежащего в ее основании допущения о бесконечной делимости пространства. Например, для расчета вероятности различных исходов процесса мы суммируем, как учит нас Фейнман, по всем путям, по которым может разворачиваться этот процесс, а их число бесконечно, поскольку они могут проходить по каждой из бесконечного числа точек пространственного континуума. Именно поэтому мы получаем бесконечные результаты.

Если же принять во внимание квантовую гравитацию, эти бесконечности тоже исчезают. Причина очевидна: пространство не бесконечно делимо, соответственно, не существует бесконечного числа точек и не нужно суммировать по бесконечному числу вариантов. Зернистая, дискретная структура пространства преодолевает трудности квантовой теории поля, исключая бесконечности, которые так ей досаждают.

Это поразительный результат: с одной стороны, учет квантовой механики снимает проблемы, вызываемые бесконечностями в эйнштейновской теории гравитации, то есть избавляет от сингулярностей. С другой стороны, учет гравитации снимает проблемы, порождаемые квантовой теорией поля, то есть избавляет от расходимостей. Вместо того чтобы противоречить друг другу, как казалось первоначально, эти две теории взаимно разрешают проблемы друг друга!

Избавление от бесконечностей – это постоянно повторяющаяся тема в современной физике. Суть специальной теории относительности можно выразить как существование максимальной скорости для физических систем. Суть квантовой механики состоит в открытии существования максимального количества информации для каждой физической системы. Минимальное расстояние – это планковская длина Lp, максимальная скорость – скорость света c, а полная информация определяется постоянной Планка h. Всё это сведено в табл. 11.1.

Существование минимальных и максимальных значений для длины, скорости и действия задает естественную систему единиц. Вместо измерения скорости в километрах в час или метрах в секунду мы можем измерять ее в долях скорости света. Можно принять, что 1 для скорости соответствует скорости c и, например, писать v = 1/2для тела, движущегося со скоростью, равной половине скорости света. Аналогично можно по определению договориться измерять расстояние в единицах планковской длины. Таким образом, мы получаем естественную систему фундаментальных единиц, из которых выводятся все остальные. Единица времени – это время, за которое свет проходит планковскую длину, и т. д. Эти естественные единицы широко применяются в исследованиях по квантовой гравитации.

Таблица 11.1. Фундаментальные ограничения, открытые теоретической физикой

Выявление этих трех фундаментальных постоянных ставит предел тому, что кажется бесконечными возможностями природы. Оказывается, то, что мы называем бесконечным, – это зачастую лишь то, что мы еще не сумели подсчитать или понять. Я думаю, это весьма общая истина. Таким образом, «бесконечное» – это слово, которым мы называем то, чего еще не знаем. Природа, похоже, ясно говорит нам, что ничего подлинно бесконечного не существует.

Есть еще одна бесконечность, дезориентирующая наше мышление, – бесконечность пространственной протяженности космоса. Но, как я писал в главе 3, Эйнштейн обнаружил, что можно представить себе конечный космос без границ. Современные измерения показывают, что размер этого космоса должен быть больше 100 миллиардов световых лет. Это порядок величины той области космоса, к которой у нас есть хотя бы косвенный доступ. Эта величина примерно в 10^120 раз больше постоянной Планка и выражается единицей, за которой следует 120 нулей. Между планковским и космологическим масштабами – огромная разница в 120 порядков величины. Колоссальная. Экстраординарная. Но конечная.

В этом диапазоне – начиная с крошечных квантов пространства и далее проходя последовательно кварки, протоны, атомы, химические структуры, горы, звезды, галактики (каждая из которых образована сотней миллиардов звезд), скопления галактик, вплоть до кажущейся бескрайней видимой Вселенной, содержащей более 100 миллиардов галактик, – разворачивается вся сложность нашего мира. Мира, который мы знаем лишь в некоторых его аспектах. Необъятного. Конечного.

Космологический масштаб отражается в значении космологической постоянной Λ, которая входит в фундаментальные уравнения наших теорий. Таким образом, фундаментальная теория содержит очень большое число: отношение космологической постоянной к планковской длине. Именно это огромное число делает возможной колоссальную сложность нашего мира. Но то, что мы видим и понимаем в нашей Вселенной, – это не бесконечность, в которой можно утонуть. Это огромное море, но имеющее конечный размер.

Книга премудрости Иисуса, сына Сирахова (Сирах)[115], начинается изумительным вопросом:

Песок морей и капли дождя

и дни вечности кто исчислит?

Высоту неба и широту земли,

и бездну и премудрость кто исследует?

Другой великий текст, написанный спустя некоторое время после того, как были сочинены эти строки, вторит им в своих первых словах:

Государь Гелон! Есть люди, думающие,

что число песчинок бесконечно.[116]

Так начинается «Псаммит» («Исчисление песчинок») Архимеда, в котором величайший ученый Античности… подсчитывает количество песчинок во Вселенной!

Он делает это, чтобы показать: хотя число песчинок велико, оно конечно и может быть определено. Древняя система счисления не позволяла простым способом работать с очень большими числами. В «Исчислении песчинок» Архимед разрабатывает новую систему записи чисел, похожую на нашу экспоненциальную, которая позволяет манипулировать очень большими числами, и демонстрирует ее силу, подсчитывая (в шутку, конечно), сколько нужно песчинок, чтобы заполнить не только морские пляжи, но и всю Вселенную.

Несмотря на шуточность «Исчисления песчинок», это глубокая книга. В полете своей фантазии, которая более чем на тысячелетие предвосхитила идеи эпохи Возрождения, Архимед восстает против такой формы знания, которая признает существование тайн, которые принципиально недоступны человеческому мышлению. Он не претендует на знание точных размеров Вселенной или точного числа песчинок. Он настаивает вовсе не на полноте знания. Напротив, он не скрывает приблизительного и ориентировочного характера своих оценок. Он говорит о возможных вариантах оценки истинных размеров Вселенной, между которыми не делает определенного выбора. Важна не претензия на знание всего, а, наоборот, готовность к тому, что мрак вчерашнего невежества может быть рассеян сегодняшним знанием, а от сегодняшнего незнания можно будет избавиться завтра.

Главная идея Архимеда – восстание против отречения от стремления к познанию: декларация веры в познаваемость мира, гордая отповедь тем, кто пребывает в удовлетворении от своего собственного невежества, кто называет бесконечным то, чего мы не понимаем, и отказывается от своего права на знание.

Прошли столетия, и текст Сираха, как и другие тексты Библии, есть в бессчетном числе домов, тогда как лишь немногие читали текст Архимеда. Архимед был убит римлянами во время разграбления Сиракуз, последнего гордого оплота Великой Греции, павшего перед римскими завоевателями, которые в ходе расширения своей будущей империи вскоре приняли Сирах в качестве одного из основополагающих текстов своей официальной религии, укрепившейся более чем на тысячу лет. В течение этого тысячелетия вычисления Архимеда томились от непостижимости: никто не мог не только использовать их, но даже понять.

Неподалеку от архимедовых Сиракуз располагается одна из самых красивых достопримечательностей Италии – театр в Тавромении, откуда открывается вид на Средиземное море и курящийся вулкан Этна. Во времена Архимеда на сцене этого театра ставили пьесы Софокла и Еврипида. Римляне приспособили его для гладиаторских боев, чтобы наслаждаться зрелищем смерти гладиаторов.

Мудрая шутливость «Исчисления песчинок», по-видимому, касается не только смелой математической конструкции или виртуозности одного из самых выдающихся умов Древнего мира. Это также демонстративный протест разума, осознающего собственное неведение, но отказывающегося уступить другим право на знания. Это небольшой, сдержанный и очень умный манифест против бесконечности – против обскурантизма.

Квантовая гравитация – это одна из многих линий исследования, берущих начало в «Исчислении песчинок». Мы считаем крупицы пространства, из которых состоит космос. Громадный космос, но все же конечный.

Единственная подлинно бесконечная вещь – это наше неведение.

12

Информация

Мы приближаемся к завершению нашего путешествия. В нескольких предыдущих главах я говорил о конкретных случаях применения квантовой гравитации: описании того, что произошло со Вселенной вблизи Большого взрыва, описании тепловых свойств черных дыр и о подавлении бесконечностей.

Прежде чем переходить к заключению, я хотел бы вернуться к теории, но заглянуть в ее будущее и поговорить об информации – теме, которая тревожит физиков-теоретиков, вызывая у них как энтузиазм, так и недоумение.

Эта глава отличается от предыдущих, где я рассказывал об идеях и теориях, которые еще не проверены, но четко сформулированы; здесь я расскажу об идеях, которые все еще остаются смутными, но остро нуждаются в упорядочении. Если до сих пор, любезный читатель, наше путешествие могло казаться вам немного некомфортным, то держитесь крепче, поскольку теперь мы входим в зону турбулентности. Если эта глава покажется вам особенно туманной, то не потому, что вы запутались в своих мыслях. Причина в том, что я сам путаюсь в своих соображениях.

Многие ученые сегодня подозревают, что понятие информации может оказаться ключевым для новых прорывов в физике. Информация упоминается в основаниях термодинамики, науки о тепле, в основаниях квантовой механики, а также в других областях, но это слово почти всегда используется в крайне нечетком смысле. Я верю, что в этой идее есть нечто важное. Я попытаюсь объяснить почему и покажу, какое отношение информация имеет к квантовой гравитации.

Прежде всего, что такое информация? Слово «информация» используется в обыденной речи для обозначения множества разных вещей, и эта нечеткость служит источником путаницы, в том числе и в науке. Научное понятие информации, однако, было определено со всей ясностью в 1948 году американским математиком и инженером Клодом Шенноном и представляет собой нечто очень простое: информация – это мера числа возможных альтернатив для чего-либо. Например, если я бросаю игральную кость, она выпадает одной из шести сторон. Когда мы видим, что она выпала одной конкретной стороной, мы получаем количество информации N = 6, поскольку число возможных альтернатив равно шести. Если я не знаю вашего дня рождения, то имеется 365 различных возможностей. Когда вы назовете мне дату, я получу информацию N = 365. И так далее. Вместо числа альтернатив N ученые измеряют информацию величиной, обозначаемой буквой S (от термина «шенноновская информация»). Величина S определяется как логарифм N по основанию 2: S = log_2N. Преимущество использования логарифма в том, что единица измерения S = 1 соответствует N = 2 (поскольку 1 = log_22), делая единицей информации минимальное число альтернатив – выбор между двумя возможностями. Эта единица измерения называется битом. Если я знаю, что на рулетке выпало красное, а не черное, я располагаю одним битом информации; узнав, что выпало красное четное, я получаю два бита информации; когда выпадает четное красное меньшее (восемнадцать или меньшее[117] на рулеточном жаргоне), у меня имеется три бита. Два бита соответствуют четырем альтернативам (красное четное, красное нечетное, черное четное, черное нечетное). Три бита информации соответствуют восьми альтернативам. И так далее[118].

Ключевой момент состоит в том, что информация может где-то располагаться. Представим, например, что вы держите в руке шар, который может быть либо черным, либо белым. Допустим, что у меня тоже есть такой шар, который может быть либо черным, либо белым. Есть две возможности с моей стороны и две – с вашей. Общее число возможностей составляет четыре (2 × 2): белый-белый, белый-черный, черный-белый и черный-черный. Теперь допустим, по некоторой причине мы уверены, что эти два шара имеют разную окраску (например, потому что мы брали шары из коробки, содержащей два шара – один белый и один черный). Полное число альтернатив тогда составляет только 2 (белый-черный или черный-белый), даже если для меня и для вас остается по две альтернативы. Обратите внимание, что в этой ситуации происходит что-то странное: глядя на свой шар, вы знаете, какой цвет у меня. В этом случае говорят, что цвета двух шаров коррелированы, то есть связаны друг с другом, или, другими словами, мой шар «несет информацию» о вашем (и, конечно, наоборот).

Если подумать, это в точности то же самое, что происходит в жизни при общении: например, когда я звоню вам, я знаю, что телефон делает звуки на вашей стороне зависящими от звуков на моей. Звуки на обеих сторонах связаны, подобно цветам шаров.

Этот пример выбран не случайно: Шеннон, который изобрел теорию информации, работал в телефонной компании и искал способ точного измерения того, сколько может «нести» телефонная линия. Но что передает телефонная линия? Она несет информацию. Она передает способность различать между альтернативами. Именно для этого Шеннон определил понятие информации.

Почему понятие информации оказалось полезным и, возможно, даже ключевым для понимания мира? По одной простой причине: потому что информация измеряет способность одной физической системы коммуницировать с другой физической системой.

Давайте в последний раз вернемся к атомам Демокрита. Представим себе мир, образованный бескрайним морем атомов, которые соударяются, притягивают и отталкивают друг друга, – и больше ничего. Не упустили ли мы что-то?

Платон и Аристотель настаивали, что нечто важное в этой картине действительно упущено; они считали, что форма вещей – то, что еще должно быть добавлено к субстанции, из которой состоят вещи, чтобы понять мир. Согласно Платону, формы существуют сами по себе в вечном идеальном мире форм, мире

«идей». Идея лошади существует до любой реальной лошади и независимо от нее. Для Платона реальная лошадь есть не что иное как бледное отражение идеи лошади. Атомы, составляющие лошадь, мало что значат – важнее «лошадиность», абстрактная форма. Аристотель немного ближе к реальности, но и для него форма не может быть сведена к субстанции. В статуе есть нечто большее, чем камень, из которого она сделана. Это большее, по Аристотелю, – форма. Это основа критики материализма Демокрита в Античности. И этот аргумент все еще остается типичным для критики материализма.

Однако действительно ли Демокрит утверждал, что всё может быть сведено к атомам? Присмотримся внимательнее. Демокрит говорит, что когда атомы объединяются, то значение имеет их форма, их конфигурация в структуре, а также способ, которым они комбинируются. Он приводит в пример буквы алфавита: есть лишь пара десятков букв, но, как он пишет, «можно комбинировать их разными способами, получая комедии и трагедии, бессмысленные истории и эпические поэмы»[119].

В этой идее есть нечто большее, чем просто атомы: важен способ, которым они комбинируются друг с другом. Но какое значение имеет способ комбинирования в мире, где нет ничего, кроме атомов?

Если атомы – тот же алфавит, кто способен читать записанные с помощью этого алфавита фразы?

Ответ будет довольно тонким: способ, которым атомы комбинируются друг с другом, коррелирован со способом, которым другие атомы комбинируются друг с другом. Поэтому одна совокупность атомов может нести информацию о другой совокупности атомов в том точном, формальном смысле, как это было сформулировано выше.

В физическом мире это происходит постоянно и непрерывно – в каждое мгновение, в каждом месте: свет, который попадает в наши глаза, несет информацию об объектах, с которыми он взаимодействовал; цвет моря несет информацию о цвете неба над ним; клетка имеет информацию о вирусе, который ее атакует; новорожденное живое существо обладает массой информации, поскольку коррелировано с родителями и со своим видом; и вы, дорогой читатель, получаете из этих строк информацию о том, о чем я думал, когда их писал, то есть о том, что происходит в моем сознании в тот момент, когда я пишу этот текст. То, что происходит с атомами вашего мозга, больше не остается независимым от того, что происходит с атомами моего, – мы коммуницируем.

Таким образом, мир – это не просто сеть сталкивающихся атомов, это также сеть корреляций между множествами атомов, сеть реальной взаимной информации физических систем друг о друге.

Во всем этом нет ничего идеалистического или мистического, это не что иное как применение шенноновской идеи подсчета альтернатив. Всё это в такой же мере часть нашего мира, как доломитовые скалы, жужжание пчел и морские волны.

Как только мы поняли, что во Вселенной существует эта сеть взаимной информации, естественно попытаться применить это сокровенное знание к описанию мира. Начнем с такого аспекта природы, хорошо понятого уже в конце XIX века, как тепло. Что есть тепло? Что мы имеем в виду, называя нечто горячим? Что заставляет чашку обжигающе горячего чая самопроизвольно остывать, а не нагреваться еще сильнее?

Австрийский ученый Людвиг Больцман, основатель статистической механики[120], был первым, кто понял, почему так происходит. Тепло – это случайные микроскопические движения молекул: когда чай горячий, движение его молекул более интенсивно. Почему он остывает? Больцман рискнул выдвинуть блестящую гипотезу: потому что количество возможных состояний у молекул горячего чая и холодного воздуха меньше, чем их количество у молекул остывшего чая и чуть потеплевшего воздуха. Совокупное состояние эволюционирует от ситуации, которой соответствует меньшее число возможных состояний, к ситуации, которой соответствует большее число возможных состояний. Чай не может сам по себе нагреваться, поскольку информация не может самопроизвольно возрастать.

Поясню это подробнее. Молекулы чая крайне многочисленны и крайне малы, и мы не знаем в точности, как они движутся. У нас нет соответствующей информации. Этот недостаток – или нехватку – информации можно оценить численно. (Больцман сделал это: он подсчитал число различных состояний, в которых могут находиться молекулы.) Если чай остывает, небольшая часть его энергии переходит к окружающему воздуху; поэтому молекулы чая начинают двигаться медленнее, а молекулы воздуха – быстрее. Если вы подсчитаете недостающую информацию, то обнаружите, что ее стало больше. Если бы, напротив, чай забрал часть тепла у холодного воздуха, количество недостающей информации уменьшилось бы. Таким образом, мы бы стали знать больше. Но информация не может свалиться с неба. Она не может возрасти сама по себе, поскольку мы просто не знаем того, чего не знаем. Поэтому чайник не нагревается сам по себе в контакте с холодным воздухом. Может показаться, что это какая-то магия, но это работает: мы можем предсказать, как ведет себя тепло, на основании одного лишь наблюдения, что информация не может возрастать даром!

Больцмана не восприняли всерьез. В возрасте пятидесяти шести лет он покончил с собой в Дуино недалеко от итальянского Триеста. Сегодня его считают одним из гениальных физиков. На его могиле высечена его знаменитая формула:

S = k log W,

которая выражает (недостающую) информацию как логарифм числа альтернатив, – ключевая идея Шеннона. Больцман отмечал, что эта величина совпадает с энтропией, используемой в термодинамике. Энтропия – это «недостающая информация», то есть информация со знаком минус. Общее количество энтропии может только возрастать, поскольку информация может только убывать[121].

Сегодня физики в целом признают идею, что информацию можно использовать как концептуальный инструмент, проливающий свет на природу тепла. Более смелая идея, защищаемая, тем не менее, всё большим числом теоретиков, состоит в том, что понятие информации может быть также полезным для понимания загадочных особенностей квантовой механики, описанных в главе 5.

Вспомните, что ключевой вывод квантовой механики заключается как раз в том, что информация конечна. В классической механике число альтернативных результатов, которые могут быть получены при измерении физической системы[122], бесконечно; но благодаря квантовой теории мы понимаем, что в действительности оно конечно. Квантовую механику можно понимать как открытие того, что информация в природе всегда конечна.

Фактически все построение квантовой механики можно интерпретировать и понимать в терминах информации следующим образом. Любая физическая система проявляет себя только во взаимодействии с другой физической системой. Описание физической системы, таким образом, всегда дается в форме отношения с другой физической системой, с которой взаимодействует первая. Любое описание системы является, таким образом, описанием информации, которой система обладает о другой системе, иными словами, описанием корреляции между двумя системами. Тайны квантовой механики становятся чуть менее загадочными, если интерпретировать ее подобным образом, то есть как описание информации, которой физические системы располагают друг о друге.

Описание системы, в конечном счете, есть не что иное как способ суммировать все ее прошлые взаимодействия и на их основе предсказывать результаты будущих взаимодействий. Вся формальная структура квантовой механики может быть в основном выражена двумя простыми постулатами[123].

1. Релевантная информация в любой физической системе конечна.

2. Вы всегда можете получить новую информацию о физической системе.

Здесь под релевантной информацией понимается информация, которую мы получили о данной системе в ходе наших прошлых взаимодействий с ней; это информация, позволяющая нам предсказывать, что мы получим в результате будущих взаимодействий с этой системой. Первый постулат описывает зернистость квантовой механики, то есть тот факт, что существует лишь конечное число возможностей. Второй описывает неопределенность – то, что всегда существует некоторая непредсказуемость, позволяющая нам получать новую информацию. С приобретением новой информации о системе полная релевантная информация не может расти бесконечно (в силу первого постулата), и часть прежней информации становится нерелевантной, то есть она больше не влияет на предсказания будущего. В квантовой механике при взаимодействии с системой мы не только что-то узнаем, но также «аннулируем» часть релевантной информации о системе[124].

В целом формальная структура квантовой механики по большей части следует этим двум простым постулатам. Тем самым теория неожиданным образом сама создает благоприятную почву для ее интерпретации в терминах информации.

Фундаментальное значение понятия информации для объяснения квантовой реальности первым осознал Джон Уилер, отец квантовой гравитации. Уилер использовал для выражения этой идеи фразу «всё из бита», означающую, что всё сущее есть информация.

Информация вновь появляется в контексте квантовой гравитации. Вспомните, площадь любой поверхности определяется спиновыми петлями, которые ее пересекают. Эти спины являются дискретными величинами, и каждый из них вносит свой вклад в площадь.

Поверхность фиксированной площади может быть образована из этих элементарных квантов площади множеством различных способов, скажем, N способами. Если вы знаете площадь поверхности, но не знаете, как в точности распределены составляющие ее кванты площади, то имеет место нехватка информации о поверхности. Это один из способов вычисления теплоты черной дыры. Для квантов площади черной дыры, заключенных в поверхности определенной площади, есть N различных способов, которыми они могут быть скомбинированы. Это аналогично тому, как у молекул в чашке чая есть N различных способов движения. Таким образом, мы можем связать с черной дырой определенное количество недостающей информации, то есть энтропию.

Количество информации, связанной таким образом с черной дырой, напрямую зависит от площади A: чем больше дыра, тем больше количество недостающей информации.

Информация, попадающая в черную дыру, больше не возвращается вовне. Но, входя в черную дыру, информация несет с собой энергию, за счет которой черная дыра становится больше и увеличивает свою площадь. При взгляде со стороны информация, теряющаяся в черной дыре, проявляется как энтропия, связанная с площадью дыры. Первым, кто заподозрил нечто подобное, был израильский физик Яаков Бекенштейн.

Однако ситуация еще очень далека от ясности, поскольку, как мы видели в предыдущей главе, черные дыры испускают тепловое излучение и очень медленно испаряются, становясь все меньше и меньше, пока, по всей вероятности, не исчезают, растворяясь в океане микроскопических черных дыр, составляющих пространство в планковском масштабе. Что происходит с информацией, упавшей в черную дыру, когда дыра сжимается и исчезает? Физики-теоретики спорят по этому вопросу, и ни у кого нет пока окончательного ясного ответа.

Всё это, как я думаю, указывает на то, что для понимания фундаментальной грамматики мира необходимо объединить три базовых ингредиента, а не два: не только общую теорию относительности и квантовую механику, но и теорию теплоты, то есть статистическую механику и термодинамику, которые можно также охарактеризовать как теорию информации. Однако термодинамика в общей теории относительности, то есть статистическая механика квантов пространства, находится пока в зачаточном состоянии. Всё запутано, и очень многое еще только предстоит понять.

Всё сказанное подводит нас к последней идее, о которой я расскажу в этой книге, – тепловому времени.

Тепловое время

Проблема, из которой проистекает идея теплового времени, проста. В главе 7 я показал, что для описания физики нет необходимости использовать понятие времени. Лучше вообще забыть о нем. На фундаментальном физическом уровне время не играет никакой роли. Как только мы понимаем это, уравнения квантовой гравитации упрощаются.

Есть множество повседневных понятий, которые не играют никакой роли в фундаментальных уравнениях Вселенной – например, понятия «верх» и «низ», «горячее» и «холодное» – поэтому не так уж странно, что широко употребляемые понятия исчезают в фундаментальной физике. Однако стоит только принять эту идею, как сразу возникает новая проблема. Как восстановить понятия нашего повседневного опыта? Как они возникают в нашем конкретном контексте?

Например, понятия «верх» и «низ» не входят в ньютоновские уравнения, но мы знаем, что они означают в схеме без абсолютного верха и низа. «Верх» и «низ» имеют смысл вблизи большой массы, такой как планета. «Низ» – это направление, в котором действует гравитационное притяжение близко расположенной большой массы; «верх» соответствует противоположному направлению. То же самое с «горячим» и «холодным»: на микроскопическом уровне не существует горячего или холодного, но когда мы объединяем большое число микроскопических составляющих и описываем их в терминах средних величин, появляется понятие тепла – горячим является тело с повышенной средней скоростью движения отдельных составляющих. Мы способны придать смысл понятиям «верх» и «горячее» в некоторых ситуациях – в присутствии по соседству большой массы, при работе со средними величинами для большого числа молекул и т. п.

Нечто подобное должно быть применимо и ко «времени». Если понятие времени не играет никакой роли на элементарном уровне, оно, конечно же, имеет большое значение в нашей жизни, так же как «вверх» и «горячее». Но что означает «течение времени», если время не участвует в фундаментальном описании мира?

Ответ прост. Происхождение времени может быть похоже на происхождение тепла: оно возникает при усреднении большого числа микроскопических переменных. Остановимся на этом подробнее.

То, что между временем и температурой есть связь, – древняя и неоднократно высказывавшаяся идея. Если вы задумаетесь над ней, то поймете, что все явления, в которых мы обнаруживаем ход времени, связаны также и с температурой. Самое заметное свойство времени состоит в том, что оно движется вперед, но не назад, То есть существуют необратимые явления. Механические явления – пока в них не участвует тепло – обратимы. Если снять их на камеру, а затем прокрутить фильм в обратном направлении, мы увидим нечто реалистичное. Если мы заснимем качающийся маятник или камень, подброшенный вверх и затем падающий, и прокрутим пленку назад, то увидим правдоподобное качание маятника или полет камня, поднимающегося, а затем падающего на землю.

Вы можете возразить, что когда камень достигает земли, он останавливается, и если смотреть фильм в обратном направлении, то камень будет сам подпрыгивать с земли, а это неправдоподобно. Но когда камень достигает земли и останавливается, куда уходит его энергия? В нагрев земли! В тот самый момент, когда порождается тепло, процесс является необратимым: прошлое отличается от будущего. И так во всем: тепло и только тепло позволяет различать прошлое и будущее.

Это универсальная идея. Горящая свеча превращается в дым, а дым не может превратиться в свечу – свеча порождает тепло. Чашка горячего чая остывает, а не нагревается – она рассеивает тепло. Мы живем и стареем, производя тепло. Наш старый велосипед изнашивается со временем, производя тепло трением. Обратимся к Солнечной системе. В первом приближении она крутится, как вечный механизм, всегда равный самому себе. Она не производит тепла, и действительно, если вы обратите ее движение вспять, то не заметите ничего странного. Но если присмотреться внимательнее, необратимые явления все же имеют место: Солнце сжигает водород и в конце концов исчерпает его и погаснет. Солнце тоже стареет и, соответственно, производит тепло. Луна, казалось бы, выглядит неизменно обращающейся вокруг Земли и всегда равной самой себе, однако в действительности она медленно удаляется. Это происходит, потому что она вызывает приливы, а приливы немного разогревают моря, вызывая тем самым обмен энергией с Луной. Всякий раз, когда вы наблюдаете явления, демонстрирующие течение времени, оказывается, что они связаны с производством тепла. Без тепла у времени нет предпочтительного направления.

Однако тепло – это наш способ называть усредненные значения по множеству переменных.

Идея теплового времени меняет эту логику на обратную. То есть вместо того чтобы спрашивать, каким образом время вызывает рассеяние тепла, мы спрашиваем, как тепло порождает время.

Благодаря Больцману мы знаем, что понятие тепла вытекает из того факта, что мы взаимодействуем с усредненными величинами. Идея теплового времени состоит в том, что понятие времени тоже возникает из-за того, что мы взаимодействуем только со средними значениями множества переменных[125].

Если у нас есть полное описание системы, то все переменные этой системы находятся в равном положении, ни одна из них не является в переменной времени. То есть ни одна не коррелирована с необратимыми явлениями. Но как только мы начинаем описывать систему средними значениями для многих переменных, у нас появляется привилегированная переменная, работающая как общее время. Время, в направление которого рассеивается тепло. Время нашего повседневного опыта.

Таким образом, время не является фундаментальной составляющей мира, но появляется в силу того, что мир огромен, и мы – лишь крошечная система внутри него, взаимодействующая только с макроскопическими переменными, которые усредняют значения бесчисленных микроскопических переменных. В нашей повседневной жизни мы никогда не видим отдельных элементарных частиц или отдельных квантов пространства. Мы видим камни, горы, лица наших друзей – и каждая из этих видимых нам вещей состоит из мириад элементарных компонентов. Мы всегда коррелированы со средними значениями. А средние значения и ведут себя как средние – они рассеивают тепло и по самой своей природе порождают время.

Трудность понимания этой идеи связана с тем фактом, что нам тяжело думать о мире без времени и о времени, которое возникает как аппроксимация. Мы слишком привыкли думать о реальности как существующей во времени. Мы существа, живущие во времени, мы погружены во время и вскормлены им. Мы – проявление темпоральности и порождены средними значениями микроскопических переменных. Но ограничения нашей интуиции не должны сбивать нас с толку. Понимание мира очень часто вынуждает нас идти против интуиции. Если бы не это, понимание было простым делом.

Время – это эффект, связанный с тем, что мы не видим физических микросостояний вещей. Время – это информация, которой у нас нет.

Время – это наше неведение.

Реальность и информация

Почему информация играет во всем этом такую важную роль? Возможно, потому, что не следует путать то, что мы знаем о системе, с абсолютным состоянием той же системы. То, что мы знаем, – это нечто, касающееся отношений между системой и нами. Знание реляционно по своей природе; оно в равной мере зависит от своего объекта и от своего субъекта. Понятие «состояния» системы отсылает, явно или неявно, к другой системе. Классическая механика ошибочно заставляет нас думать, будто мы способны действовать, не принимая в расчет эту простую истину, будто у нас есть доступ, по крайней мере теоретически, к картине реальности, совершенно независимой от наблюдателя. Но развитие физики показало, что в конечном счете это невозможно.

Будьте внимательны: когда я говорю, что мы «имеем информацию» о температуре чашки чая или «не имеем информации» о скорости каждой отдельной его молекулы, я не имею в виду никаких ментальных состояний или абстрактных идей. Я лишь говорю, что законы физики определяют корреляции между нами и температурой (например, когда мы смотрим на термометр), но не между нами и скоростями отдельных молекул. Это то же самое понятие информации, с которого я начал данную главу: белый шар в вашей руке «имеет информацию» о том факте, что в моей руке находится черный шар. Мы имеем дело с физическими факторами, а не с ментальными понятиями. Шар в данном случае обладает информацией, даже если у него нет ментальных состояний, также как флеш-карта содержит информацию (указанная на карте емкость в гигабайтах говорит нам, сколько информации она может содержать), несмотря на то, что флешка не может думать. Информация в этом смысле – как корреляция между состояниями систем – повсеместно встречается во Вселенной.

Я считаю, что для понимания реальности мы должны учитывать, что реальность – это сеть отношений, сеть взаимной информации, которая пронизывает весь мир. Мы расчленяем окружающую нас реальность на объекты. Но реальность не состоит из дискретных объектов. Это меняющийся поток. Подумайте об океанской волне. Где заканчивается волна? Где она начинается? Подумайте о горах. Где начинается гора? Где она заканчивается? Как глубоко она продолжается под поверхностью Земли? В этих вопросах нет особого смысла, поскольку волна и гора являются объектами не сами по себе, это способ, которым мы структурируем мир для его понимания и простоты описания. Эти границы произвольны, конвенциональны и удобны – они зависят от нас (как физических систем) больше, чем от волн или гор. Это способ организации информации, которой мы обладаем, или, лучше сказать, формы имеющейся у нас информации.

Все обстоит точно так же для любого корректно рассматриваемого объекта, включая живые организмы. Вот почему бессмысленно спрашивать, является ли наполовину отрезанный ноготь все еще «мной» или уже становится «не-мной»; или считается ли шерсть, оставленная моей кошкой на диване, все еще частью кошки или нет; или когда в точности начинается жизнь ребенка. Ребенок начинает жить в тот день, когда кто-то из родителей впервые начинает мечтать о нем, задолго до зачатия, или когда он впервые осознает себя, или когда делает первый вдох, или когда узнает свое имя, или когда в отношении него выполнятся любые другие принятые нами условия: все эти варианты имеют право на существование, но они произвольны. Это наши способы думать и ориентироваться в сложной реальности.

Живой организм – это система, которая непрерывно изменяет себя, чтобы оставаться собой, постоянно взаимодействуя с внешним миром. Лишь те организмы, которые достаточно эффективны в этом, продолжают существовать; именно поэтому живые организмы демонстрируют свойства, которые помогают им выживать. По этой причине их можно описывать, и мы описываем их в терминах целей и намерений. Этот телеологический аспект биологического мира оказывается – и в этом состоит ключевое открытие Дарвина – результатом отбора сложных форм, эффективных в поддержании своего существования. Однако эффективный способ продолжить существование в меняющейся среде заключается в том, чтобы лучше управлять корреляциями с внешним миром, то есть информацией, лучше собирать, хранить, передавать и обрабатывать информацию. Именно поэтому существует ДНК вместе с иммунной системой, органами чувств, нервной системой, сложным мозгом, языками, книгами, Александрийской библиотекой, компьютерами и Википедией: они максимизируют эффективность управления информацией – управления корреляциями, способствующими выживанию.

Статуя, которую Аристотель видит в куске мрамора, – это нечто большее, чем мрамор, но это не абстрактная форма, которая содержится только в статуе. Это нечто, содержащееся в корреляциях между сознанием Аристотеля (или нас с вами) и мрамором; нечто, относящееся к информации, которую мрамор несет относительно чего-то важного для Аристотеля или для нас. Это нечто, относящееся к дискоболу, Фидию, Аристотелю и мрамору, что содержится в коррелированном расположении атомов статуи и корреляциях между ними и тысячами других атомов в голове у нас или у Аристотеля. Это нечто, говорящее нам что-то о дискоболе, точно так же как белый шар в вашей руке говорит вам о том, что мой шар будет черным. Мы устроены так, чтобы управлять именно этим – информацией – и благодаря этому продолжать свое существование.

Даже из этого короткого обзора должно быть ясно, что понятие информации играет центральную роль в наших попытках понять мир. Во всем – от общения до оснований генетики, от термодинамики до квантовой механики – понятие информации оказывается полезным инструментом понимания. Мир следует воспринимать не как аморфный ансамбль атомов, но скорее как игру зеркал, строящуюся на корреляциях между структурами, образованными комбинациями этих атомов.

Как говорил Демокрит, дело не только в атомах, но в том порядке, в котором они организованы. Атомы подобны буквам алфавита – поразительного алфавита, столь богатого, что он способен читать, рефлексировать и даже думать о самом себе. Мы – не атомы; мы – порядки, в которых атомы организованы, способные отражать другие атомы и самих себя.

Демокрит давал странное определение понятию «человек»: «Человек – это то, что мы все знаем»[126]. На первый взгляд, это кажется довольно глупым и бессмысленным, но это не так.

Соломон Лурье, крупнейший специалист по Демокриту, отмечает, что эти слова Демокрита – далеко не банальность. Природа человека – это не его внутреннее строение, но сеть личных, семейных, социальных взаимодействий, в которых он существует. Это они «создают» нас, и они нас охраняют. Как люди мы есть то, что другие знают о нас, то, что мы знаем о самих себе, и то, что другие знают о нашем знании. Мы – сложнейшие узлы богатейшей сети взаимной информации.

Все это еще не теория. Это следы, по которым мы идем в поисках, как я считаю, лучшего понимания окружающего нас мира. Нам еще очень многое предстоит понять. Я расскажу об этом в последней главе.

13

Тайна

Истина погружена в глубокую бездну.

Демокрит[127]

Я изложил свои взгляды на природу вещей в свете того, что мы знаем на сегодняшний день. Я резюмировал развитие некоторых ключевых идей фундаментальной физики, описал великие открытия, сделанные физикой XX столетия, и описал картину мира, возникающую из исследований в области квантовой теории гравитации.

Уверен ли я во всем этом? Нет.

Одна из самых первых и красивых страниц в истории науки – это пассаж из платоновского диалога «Федон», в котором Сократ объясняет форму Земли.

По словам Сократа, он верит в то, что Земля круглая, с огромными долинами, в которых живут люди. По существу он прав, но немного растерян в своем изложении. Он добавляет: «Я не уверен». Эта страница искупает весь тот вздор о бессмертии души, которым заполнена остальная часть диалога. Это не только старейший из дошедших до нас текстов, в котором явно говорится, что Земля имеет форму сферы. Гораздо важнее, что здесь Платон с кристальной ясностью признает ограниченность знаний своего времени. «Я не уверен», – говорит Сократ[128].

Это подчеркнутое понимание нашего неведения лежит в основе научного мышления. Именно благодаря этому пониманию пределов нашего знания нам и удалось узнать так много. Мы никогда не уверены в том, в чем способны усомниться, в точности как Сократ не уверен в сферической форме Земли. Мы ведем исследования на границах нашего знания.

Понимание пределов нашего знания – это также осознание того факта, что наши знания могут оказаться ошибочными или неточными. Только благодаря пониманию того, что наши знания могут оказаться неверными, можно освобождаться от ложных идей и учиться. Чтобы чему-то научиться, надо иметь смелость признать, что вещи, которые мы считаем известными, включая самые глубокие убеждения, могут оказаться неверными или, по крайней мере, наивными, как тени на стене платоновской пещеры.

Наука рождается из акта смирения – из отказа от слепого доверия нашему прошлому знанию и нашей интуиции; из сомнения в том, о чем все говорят; из отказа доверять накопленному знанию наших отцов и дедов. Мы ничему не научимся, думая, будто уже знаем всё самое важное, и полагая, что всё уже записано в книгах или известно старейшинам. В те столетия, когда люди свято верили в правильность своих знаний, им мало чему удалось научиться. Если бы Эйнштейн, Ньютон и Коперник полностью доверяли знанию своих отцов, они никогда не поставили бы его под сомнение и никогда не смогли бы продвинуть наше знание вперед. Если бы не эти сомнения, мы до сих пор поклонялись бы фараонам и верили, что Земля покоится на гигантской черепахе. Даже самые ценные наши знания, например те, что принес нам Ньютон, могут, как показал Эйнштейн, оказаться в итоге упрощенными.

Науку порой критикуют за претензию на объяснение всего и мнение, будто в ней есть ответ на все вопросы. Это любопытное обвинение. Как знают исследователи в лабораториях по всему миру, при занятиях наукой вы ежедневно сталкиваетесь с пределами своего неведения – в бесчисленных вещах, которых вы не знаете или не можете сделать. Это прямая противоположность претензии на всезнание. Мы не знаем, какие частицы могут быть открыты в ЦЕРНе в следующем году, или что обнаружит наш следующий телескоп, или какое уравнение действительно описывает мир; мы не знаем, как решать уравнения, которые у нас есть, и порой не понимаем, что они означают; мы не знаем, верна ли красивая теория, над которой сейчас работаем. Мы не знаем, что было до Большого взрыва; мы не знаем, как устроены грозы, бактерии, наш глаз, клетки нашего собственного тела, наш мыслительный процесс. Ученый живет с постоянным осознанием нашего глубокого неведения, в прямом контакте с бесчисленными ограничениями, которые сдерживают наше понимание.

Но если мы ни в чем не уверены, как мы можем полагаться на то, что говорит нам наука? Ответ прост. Наука заслуживает доверия не потому, что она дает нам непреложные истины. Она заслуживает доверия потому, что она дает лучшие ответы из тех, которыми мы располагаем на настоящий момент. Наука – это самое большее, что мы знаем на сегодня о тех проблемах, с которыми нам приходится сталкиваться. Именно ее открытость и то, что она постоянно ставит под вопрос имеющиеся знания, гарантирует, что ответы, которые она предлагает, являются лучшими из имеющихся: если вы найдете лучшие ответы, именно они и станут наукой. Когда Эйнштейн нашел лучшие ответы, чем Ньютон, он не опроверг способность науки давать лучшие ответы из возможных, напротив, он ее подтвердил.

Таким образом, ответы, даваемые наукой, хороши не тем, что они окончательные. Они хороши тем, что они не окончательные. Эти ответы заслуживают доверия потому, что это лучшее, чем мы располагаем на сегодняшний день. И они лучшие из всех имеющихся потому, что мы не воспринимаем их как окончательные, а рассматриваем их как открытые для улучшения. Именно осознание нашего неведения делает науку заслуживающей доверия.

И то, что нам нужно, – это как раз возможность доверия, а не неизменность. У нас нет и не будет абсолютной уверенности ни в чем, если только не впадать в слепую веру. Наука дает наиболее правдоподобные ответы просто потому, что наука и есть поиск наиболее правдоподобных ответов, а не тех, которые претендуют на непреложность и неизменность.

Хотя наука опирается на прежние знания, суть ее состоит в непрерывном изменении. История, которую я рассказал, охватывает тысячелетия и следует нарративу науки, который собирает и хранит стоящие идеи, но без колебаний отбрасывает их, когда обнаруживается что-то, работающее лучше. Природа науки состоит в критичности, бунтарстве и неудовлетворенности в отношении априорных концепций, почитания и сакрализации неприкосновенных истин. Поиск нового знания строится не на культивировании уверенности, а на культивировании радикального недоверия к уверенности.

Это означает отказ в доверии тем, кто претендует на владение истиной. Именно поэтому между наукой и религией часто возникают конфликты. Это происходит не потому, что наука претендует на знание окончательных ответов, но по прямо противоположной причине: потому что дух науки состоит в недоверии к любым претензиям на обладание окончательными ответами или привилегированным доступом к Истине. Это недоверие вызывает беспокойство в некоторых религиозных кругах. Вовсе не религия тревожит науку, а, наоборот, некоторые религии обеспокоены научным мышлением.

Принятие принципиальной ненадежности нашего знания означает принятие того, что мы живем, погруженные в неведение, а значит, в тайну, принятие жизни с вопросами, на которые мы не знаем ответов. Возможно, мы просто не нашли пока или – кто знает? – никогда их не найдем.

Жить без уверенности трудно. Многие предпочтут любую уверенность, даже безосновательную, той неуверенности, которая возникает в результате осознания собственных пределов. Есть те, кто предпочитает верить в ту или иную историю лишь потому, что в нее верили предки его племени, и не может набраться смелости принять неуверенность.

Неведение пугает. От страха мы можем рассказывать самим себе успокаивающие истории: где-то там, за звездами, есть зачарованный сад с добрым отцом, который приглашает нас присоединиться к нему. И это успокаивает, независимо от того, правда ли это.

В мире всегда найдется кто-то, претендующий на то, чтобы давать нам окончательные ответы. Мир полон людей, утверждающих, что они владеют Истиной. Потому что они узнали ее от отцов; прочли в Великой Книге; получили напрямую от Бога; нашли в глубине самих себя. Всегда кто-то претендует на то, что является носителем Истины, игнорируя тот факт, что в мире есть множество других носителей Истины, каждый из которых обладает своей собственной настоящей Истиной, отличной от той, которой обладают прочие. И всякий раз какой-нибудь пророк в белом облачении произносит слова: «Следуй за мной, я есть истинный путь».

Я не критикую тех, кто предпочитает в это верить: мы все свободны верить в то, во что хотим. Может быть, в конце концов, есть зерно истины в шутке, о которой упоминает Блаженный Августин: «Что делал Бог до сотворения неба и земли?» – «Приготовлял преисподнюю для тех, кто допытывается о высоком»[129]. Но это «высокое» есть в точности то же, что «глубокая бездна» в цитате Демокрита, взятой в качестве эпиграфа к этой главе. И это побуждает нас к поиску истины.

Сам я предпочитаю открыто смотреть в лицо нашему неведению, признавая его и стараясь заглянуть чуть дальше в попытке понять то, что мы способны понять. Я делаю это не только потому, что признание нашего неведения позволяет избегать суеверий и предубеждений, но прежде всего потому, что признание собственного неведения кажется мне самым верным, самым красивым и, главное, самым честным шагом.

Попытки заглянуть и пойти дальше кажутся мне самым главным делом, дающим чувство жизни. Это как любить или смотреть в небо. Любопытство, побуждающее узнавать, открывать, заглядывать по ту сторону холма, пробовать на вкус яблоко – это то, что делает нас людьми. Дантовский Улисс напоминает своим соратникам: «Вы созданы не для животной доли, но к доблести и к знанью рождены»[130].

Этот мир удивительнее и сложнее любых сюжетов, рассказанных нашими праотцами. Я хочу познакомиться с ним поближе. Чтобы принять неопределенность, не следует бояться чувства таинственного. Ведь мы погружены в таинственность и красоту нашего мира. Мир, раскрываемый квантовой гравитацией, новый и странный, остается полным загадок, сохраняя при этом простую и ясную красоту.

Этот наш мир не погружен в пространство, и он не развивается во времени. Мир состоит только из взаимодействующих квантовых полей, роение которых порождает – через плотную сеть взаимных связей – пространство, время, частицы, волны и свет (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Образное представление квантовой гравитации

И тянутся, тянутся сплетения жизни и смерти,

Вражды и дружбы, ясности и неведения.

И поэт продолжает:

Сколько хватает взгляда с этой высокой башни.[131]

Это мир без бесконечности, где не существует бесконечно малого, поскольку есть минимальный масштаб явлений, ниже которого ничего нет. Кванты пространства перемешаны в виде пространственно-временной пены, а строение вещей появляется из взаимной информации, которая состоит в корреляции между областями мира. Мы знаем, как описать этот мир с помощью системы уравнений, которые, возможно, еще придется уточнять.

Это колоссальный мир, в котором еще многое надо прояснять и исследовать. Моя заветная мечта состоит в том, чтобы кто-то – например, один из молодых читателей этой книги – смог посвятить себя этой задаче и лучше понять этот мир. Где-то там, за поворотом, огромные миры ждут своих первооткрывателей.

Аннотированная библиография

Andolfo, Matteo, Atomisti antichi. Frammenti e testimonianze (Древний атомизм. Фрагменты и толкования), Milan, Rusconi, 1999. [Аналог на русском языке: Маковельский А. О. Древнегреческие атомисты. – Баку, 1946.]

Аристотель. О возникновении и уничтожении / Аристотель. Собр. соч.: В 4 т. Т. 3. – М., 1981. – С. 349–440. – Важнейшая работа Аристотеля, дающая представление об идеях Демокрита.

Bitbol, Michel, Physical Relations or Functional Relations? A Non-metaphysical Construal of Rovelli’s Quantum Mechanics (Физические отношения или функциональные отношения? Неметафизическая интерпретация реляционной квантовой механики Ровелли). Philosophy of Science Archives, 2007, http://philsci-archive.pitt. edu/3506/. – Комментарий относительно кантианской интерпретации реляционной квантовой механики.

Baggott, Jim, The Quantum Story: A History in Forty Moments (Квантовая хроника: История в сорока мгновениях). New York, Oxford University Press, 2011. – Отличная и полная реконструкция основных этапов развития квантовой механики от ее истоков до наших дней.

Bojowald, Martin, Once Before Time: A Whole Story of the Universe (Однажды до времени: полная история Вселенной). New York, Alfred A. Knopf, 2010. – Доступное описание применения петлевой квантовой гравитации к происхождению Вселенной, выполненное одним из первых ученых, использовавших этот подход. Включает обсуждение «Большого отскока» Вселенной, который мог иметь место до Большого взрыва.

Calaprice, Alice (ed.), Dear Professor Einstein. Albert Einstein’s Letters to and from Children (Уважаемый профессор Эйнштейн. Переписка Альберта Эйнштейна с детьми). New York, Prometheus Books, 2002. – Очаровательная подборка писем, которыми Эйнштейн обменивался с несколькими детьми.

Лурье С. Я. Демокрит: Тексты. Перевод. Исследование. – Л., 1970. Democritus, The Atomists: Leucippus and Democritus. Fragments. (Атомисты: Левкипп и Демокрит. Фрагменты). Toronto, Toronto University Press, 1999 – Тексты и перевод с комментариями К. Тейлора. Diehls, H. and Kranz, W. (eds), Die Fragmente der Vorsokratiker. Berlin, Weidmann, 1903. – Классическая коллекция фрагментов досократиков в трех томах. [Аналоги на русском языке: Демокрит в его фрагментах и свидетельствах древности / Под ред. Г. К. Баммеля. – ОГИЗ, 1935. Фрагменты ранних греческих философов. Часть I. От эпических теокосмогоний до возникновения атомистики / Сост. А. В. Лебедев. – М., 1989.]

Dorato, Mauro, Che cos’è il tempo? Einstein, Gödel e l’esperienza commune. Rome, Carocci, 2013. – Точное и полное обсуждение вопросов, связанных со специальной теорией относительности и эйнштейновским изменением понятия времени.

–, Rovelli’s Relational Quantum Mechanics, Monism and Quantum Becoming (Реляционная квантовая механика Ровелли, монизм и квантовое становление). Philosophy of Science Archives, 2013, http://philsci-archive.pitt.edu/9964/. – Итальянский философ обсуждает интерпретации квантовой механики.

Fano, Vincenzo, I paradossi di Zenone (Апории Зенона). Trans. It. Rome, Carocci, 2012. – Блестящее исследование, подчеркивающее актуальность проблем, выраженных в апориях Зенона.

Farmelo, Graham, The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Quantum Genius (Самый странный человек: тайная жизнь Поля Дирака, квантового гения). London, Faber, 2009. – Объемное, но легко читающееся описание жизни и странного характера величайшего физика после Эйнштейна.

Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике: В 9 т. – УРСС, 2004. – Фундаментальный учебник физики, написанный по лекциям величайшего американского физика. Это яркий оригинальный живой продукт блестящего ума. Ни один студент, по-настоящему интересующийся наукой, не должен пропустить эту книгу.

Fölsing, Albrecht, Albert Einstein: A Biography (Альберт Эйнштейн: Биография). New York, Penguin, 1998. – Объемная и полная биография Эйнштейна. [Аналог на русском языке: Айзексон У. Альберт Эйнштейн. – М., 2015.]

Горелик Г. Е., Френкель В. Я. Матвей Петрович Бронштейн: 1906–1938. – М., 1990. – Историческая работа, посвященная Бронштейну, молодому советскому ученому, пионеру исследований в области квантовой гравитации, который был казнен Сталиным.

Greenblatt, Stephen, The Swerve: How the World became Modern (Поворот: как мир стал современным). New York, W. W. Norton, 2011. – Книга, в которой реконструируется влияние переоткрытия Лукреция на рождение современного мира.

Гейзенберг В. Физика и философия // Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. – М., 1989. – Подлинный творец квантовой механики размышляет об общих проблемах философии и науки.

Кумар М. Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности. – М., 2015. – В тончайших деталях реконструируется рождение квантовой механики, а также долгий диалог Бора и Эйнштейна о смысле новой теории.

Лукреций. О природе вещей / Пер. и ред. Ф. А. Петровского. – М., 1946. – Изумительная поэма, из которой мы знаем об идеях и духе античного атомизма.

Newton, Isaac, A Treatise of the System of the World (Трактат о системе мира). London, F. Fayram, 1731. – Малоизвестная работа Ньютона, в которой он излагает свою теорию всемирного тяготения в гораздо более доступной форме, чем в своем великом труде («Началах»).

Odifreddi, P., Come stanno le cose. Il mio Lucrezio, la mia Venere. Milan, Rizzoli, 2013. – Перевод (на итальянский язык) поэмы Лукреция с обширным комментарием. Идеально для изучения в школе.

Платон. Федон // Платон. Соч.: В 4 т. Т. 2. – СПб., 2007. – С. 11–96). – Древнейший дошедший до нас текст, явно говорящий о сферической форме Земли.

Rovelli, Carlo, ‘Aristotle’s Physics: A Physicist’s Look’ (Аристотелевская физика: Взгляд физика) // Journal of the American Philosophical Association, 1 (2015) 23–40.

–, Семь этюдов по физике / Пер. А. Якименко. – М., 2018. – Краткий путеводитель по научной революции, которая потрясла физику в XX веке и продолжает потрясать сегодня.

–, The First Scientist: Anaximander and His Legacy. Yardley, Westholme, 2007. – Реконструкция идей Анаксимандра – одного из величайших ученых всех времен – и его влияния на развитие науки. Книга также отражает рождение и природу научного мышления: его особый характер, его отличие от мистического мышления, его сильные и слабые стороны.

–, ‘Quantum Gravity’ (Квантовая гравитация), в кн.: Butterfield, J. and Earman, J. (eds.), Handbook of The Philosophy of Science, Philosophy of Physics (Справочная книга по философии науки. Философия физики). Amsterdam, Elsevier/North-Holland, 2007, pp. 1287–1330. – Большая статья, предназначенная для философов, с подробным обсуждением современного состояния квантовой гравитации, ее нерешенных проблем и различных подходов к ним.

–, Quantum Gravity (Квантовая гравитация). Cambridge, Cambridge University Press, 2004. – Профессиональное руководство по квантовой гравитации. Определенно не предназначено для тех, у кого нет подготовки по физике.

–, ‘Relational Quantum Mechanics’ (Реляционная квантовая механика) на сайте The Stanford Encyclopaedia of Philosophy, http://plato.stanford.edu/archives/win2003/entries/rovelli/. – Резюме по реляционной интерпретации квантовой механики.

–, ‘Relational Quantum Mechanics’ (Реляционная квантовая механика) // International Journal of Theoretical Physics, 35 (1996), 1637, http://arxiv.org/abs/quantph/9609002. – Теоретическая статья, в которой была впервые представлена реляционная квантовая механика.

Smolin, Lee, Three Roads to Quantum Gravity (Три пути к квантовой гравитации). New York, Basic Books, 2002. – Введение в квантовую гравитацию и ее открытые вопросы. [Аналог на русском языке: Смолин Л. Как далеко мы находимся от квантовой теории гравитации? (2003) – http://alpha.sinp.msu.ru/~panov/SmolinTransl1. pdf.]

Van Fraassen, Bas. ‘Rovelli’s World’ (Мир Ровелли) // Foundations of Physics, 40 (2010), 390–417. – Обсуждение реляционной квантовой механики крупным аналитическим философом.

Примечания

1

Цит. по: Фрагменты ранних греческих философов. Ч. I. – М.: Наука, 1989. – С. 136. – Примеч. пер.

2

Панионий – святилище Посейдона, расположенное на мысе Микале между городами Милетом и Эфесом. – Примеч. пер.

3

Об Анаксимандре и милетцах см.: Carlo Rovelli. The First Scientist: Anaximander and His Legacy. – Yardley, Westholme, 2007. – Здесь и далее примеч. автора, если не указано иное.

4

О милетском происхождении Левкиппа сообщает, например, Симплиций (см.: M. Andolfo. Atomisti antichi. Frammenti e testimonianze (Древний атомизм. Фрагменты и свидетельства). – Milan, Rusconi, 1999. – P. 103.) Однако в этом нет уверенности. Связь с Милетом и Элеей важна в плане его культурных корней; чем Левкипп обязан Зенону Элейскому, обсуждается на следующих страницах.

5

В русскоязычной литературе встречается также название «Великий ми-рострой», а в англоязычной литературе, в частности у автора настоящей книги, упоминается как «The Great Cosmology». – Примеч. пер.

6

Seneca. Naturales questiones, VII, 3, 2d // Сенека. Философские трактаты / Пер. Т. Ю. Бородай. – СПб., 2001. – С. 346. (Здесь и далее: если издание выходило на русском языке, приводятся его выходные данные. – Примеч. пер.).

7

Cicero. Academica priora, II, 23, 73 // Цицерон. Учение академиков / Пер. Н. А. Федорова. – М., 2004. – C. 143.

8

Sextus Empiricus. Adversus mathematicos, VIII, 135. – Loeb Classical Library, 1989 // Демокрит в его фрагментах и свидетельствах древности / Под ред. Г. К. Баммеля. – М.: ОГИЗ, 1935. – С. 166.

9

Aristotle. On Generation and Corruption, A1, 315b 6, в кн.: The Complete Works of Aristotle, Vol. I. – Princeton, Princeton University Press, 1984 // Аристотель. О возникновении и уничтожении // Собр. соч.: В 4 т. Т. 3. – М., 1981. – С. 379.

10

Древнегреческие атомисты / Ред. А. О. Маковельский. – Баку, 1946. – С. 295. – Примеч. пер.

11

Книга была посвящена природе человека, но кратко пересказывала содержание «Великого диакосмоса». – Примеч. пер.

12

Коллекция древних фрагментов и свидетельств о высказываниях атомистов приводится в книге M. Andolfo “Ancient Atomists” (примеч. авт.). – Полная антология фрагментов и высказываний, касающихся Демокрита, была опубликована Соломоном Лурье (Лурье С. Я. Демокрит. – Л., 1970 (примеч. пер.)).

13

Краткая интересная работа об идеях Демокрита, помещающая их в контексте гуманизма: S. Martini. Democrito: filosofo della natura o filosofo dell’uomo? (Демокрит: философ природы или философ человека?) – Rome, Armando, 2002.

14

Платон. Соч.: В 4 т. Т. 2. – СПб., 2007. – С. 69. – Примеч. пер.

15

Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике: В 9 т. Т. 1. Современная наука о природе. Законы механики. – М.: Наука, 1965. – С. 23. – Примеч. пер.

16

Аристотель. О возникновении и уничтожении // Собр. соч.: В 4 т. Т. 3. – М., 1981. – С. 379. – Примеч. пер.

17

Недавно вышедшее хорошее изложение парадоксов Зенона с разъяснением их философского и математического значения: Vincenzo Fano. I paradossi di Zenone (Апории Зенона). – Rome, Carocci, 2012.

18

Математики говорят о сходящихся бесконечных суммах, или рядах. Например, бесконечная сумма 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 +… сходится к 1. Во времена Зенона не было представления о бесконечных сходящихся рядах. Их открыл Архимед несколькими столетиями позже и использовал для вычисления площадей. Ими активно пользовался Ньютон, но полной ясности с этими математическими объектами не было вплоть до работ Больцано и Вейерштрасса, выполненных в XIX столетии. Аристотель, однако, уже понимал, что это возможный способ ответа Зенону; введенное Аристотелем различие между актуальной бесконечностью и потенциальной бесконечностью уже содержит в себе ключевую идею: различие между отсутствием предела делимости и возможностью иметь нечто уже разделенным на бесконечное число частей.

19

Amores, I, 15, 23–4 // Овидий. Элегии и малые поэмы / Пер. с лат. С. В. Шервинского. – М., 1973. – С. 48.

20

Вот список названий всех трудов Демокрита, как его приводит Диоген Лаэртский: «Великий диакосмос», «Малый диакосмос», «Космография», «О планетах», «О природе», «О природе человека», «Об уме», «Об ощущениях», «О вкусах», «О цветах», «О различии форм атомов», «О взаимных истечениях», «Причины небесных явлений»*, «Причины воздушных явлений»*, «Причины огня и огненных явлений»*, «Причины звуков»*, «О камне (магните)»*, «Причины семян, растений и плодов»*, «О животных»*, «Описание неба», «Описание земли», «Описание полюсов», «О геометрии», «Геометрические исследования», «О касании круга и шара», «Числа», «Об иррациональных линиях и телах», «Проекции сферы на плоскость», «Мировой год, или Астрономия», «Актинография» (учение о лучах и перспективе), «Об образах, или О провидении», «О ритмах и гармонии», «О поэзии», «О красоте стихов», «О благозвучных и неблагозвучных буквах», «О Гомере, или О правильном произношении и непонятных словах», «Врачебная наука», «О земледелии», «О глаголах», «Исследование об именах», «О качествах хорошего человека, или О добродетели», «О душевном состоянии мудреца», «О живописи», «Военная тактика», «Плавание по Океану», «Об истории», «Халдейское учение»**, «Фригийское учение»*, «О священных письменах в Вавилоне»**, «О священных письменах в Мерое»**, «О лихорадке и кашле»*, «Спорные вопросы»*, «Исследование законов»*, «Пифагор», «О логике, или Канон», «Подтверждения», «Этические записки». Все они утрачены… (Перевод названий дается по: Маковельский А. О. Древнегреческие атомисты. – Баку, 1946 (примеч. пер.)). * – труд приписывается Демокриту некоторыми древними библиографами. ** – труд приписывается Демокриту, но принадлежит Болу Мендесийскому.

21

Лукреций. О природе вещей. – М.: Изд-во АН СССР, 1946. – С. 307. Здесь в следующих цитатах фрагменты Лукреция продублированы также в стихотворном переводе Ф. Петровского. – Примеч. пер.

22

Лукреций. Указ. соч. – С. 131. – Примеч. пер.

23

Там же. – С. 7. – Примеч. пер.

24

Там же. – С. 73–75. – Примеч. пер.

25

Guido Cavalcanti, Rime. (Гвидо Кавальканти, ~1250–1300).

26

Подробнее о переоткрытии текста Лукреция и его влиянии на европейскую культуру см.: Stephen Greenblatt. The Swerve: How the World Became Modern (Поворот: Как мир стал современным). New York, Norton, 2011.

27

M. Camarota. Galileo, Lucretius and Atomism («Галилей, Лукреций и атомизм»), in F. Citti and M. Beretta (eds.), Lucrezio, la natura e la scienza (Лукреций, природа и наука). – Florence, Leo S. Olshki, 2008. – Pp. 141–175.

28

R. Kargon. Atomism in England from Hariot to Newton (Атомизм в Англии от Хэрриота до Ньютона). – Oxford, Oxford University Press, 1966.

29

Вильям Шекспир. Ромео и Джульетта, действие I, сцена IV / Пер. Д. Л. Михаловского. – Примеч. пер.

30

Лукреций. О природе вещей. – М.: Изд-во АН СССР, 1946. – С. 79–81. – Примеч. пер.

31

Пеьрджорджио Одифредди опубликовал мастерски выполненный перевод комментариев к тексту Лукреция, предназначенный для использования в школах. (Piergiorgio Odifreddi. Come stanno le cose. Il mio Lucrezio, la mia Venere (О природе вещей. Мой Лукреций, моя Венера). – Milan, Rizzoli, 2013). Было бы замечательно, если бы школы использовали эту книгу и этот выдающийся текст стал более широко известен. Диаметрально противоположные Одифредди прочтение текста и взгляд на его автора предлагает Альфьери (V. E. Alfieri) в Lucrezio (Лукреций). – Florence, Le Monnier, 1929), который подчеркивает остроту и поэтическое качество работы, делая из этого вывод о благородном, но язвительным характере Лукреция.

32

H. Diels and W. Kranz, eds. Die Fragmente der Vorsokratiker (Досократики: фрагменты). – Berlin, 1903, 68 b 247 // Маковельский А. О. Древнегреческие атомисты. – Баку, 1946. – С. 131.

33

Дурная репутация аристотелевской физики сформировалась в период, когда с ней полемизировал Галилей. Галилей сделал шаг вперед и по необходимости должен был относиться к ней критически. Его нападки на Аристотеля были презрительными и саркастическими. Но тем не менее он воспринимал физику Аристотеля очень серьезно. – Примеч. пер.

34

О значении физики Аристотеля см.: C. Rovelli. Aristotle’s Physics: A Physicist’s Look (Аристотелевская физика: Взгляд физика), Journal of the American Philosophical Association, 1 (2015). – Pp. 23–40.

35

Iamblichus of Chalchis. Summa pitagorica. – Milan, Bompiani, 2006 // Ямвлих. Жизнь Пифагора. – М., 1998.

36

В Праге. – Примеч. пер.

37

x = 1/2at^2. Строго говоря, это первый математический закон для движения земных тел. Количественные законы для земных тел, не связанные с движением, были известны ранее, например закон Архимеда. – Примеч. пер.

38

Квадрат периода обращения пропорционален кубу радиуса орбиты. Было показано, что этот закон верен не только для орбит планет вокруг Солнца (Кеплер), но также и для спутников Юпитера (Гюйгенс). Ньютон по индукции предполагает, что он должен также работать и для гипотетической маленькой луны, обращающейся вокруг Земли. Коэффициент пропорциональности зависит от тела, вокруг которого происходит обращение: вот почему данные о лунной орбите позволяют нам вычислить период маленькой луны.

39

a = v^2/r, где v – скорость, а r – радиус орбиты.

40

F = GM_1M_2/r^2.

41

Isaac Newton, Opticks (1704) // Ньютон И. Оптика. – М.: 1954. – С. 303.

42

Джакомо Леопарди (1798–1837) – итальянский романтический поэт. Цит. по: Леопарди Дж. Бесконечность / Пер. Т. Стамовой. – М., 2014. – Примеч. пер.

43

Речь идет о книге Ньютона “A Treatise of the System of the World” («Трактат о системе мира»), которая представляет собой предварительную версию третьей книги «Математических начал натуральной философии». Этот текст был написан в более популярной манере, чем первые книги «Начал», однако в таком виде при жизни Ньютона не издавался, а был переписан в более сухой и научной манере. В русском переводе «Начал» третья книга сохранила название «О системе мира», хотя в оригинале его нет. Ранний вариант, написанный более доступно, был издан на английском языке лишь через несколько лет после смерти Ньютона и на русский язык не переводился. – Примеч. пер.

44

Энергия, высвобождаемая двигателем внутреннего сгорания, является химической и, таким образом, в конечном счете электромагнитной.

45

Isaac Newton. Letters to Bentley. – Montana, Kessinger, 2010 // Ньютон И. Четыре письма сэра Исаака Ньютона доктору Бентли… / Пер. Ю. А. Данилова // Вопросы истории естествознания и техники. 1993. № 1. – С. 33–45.

46

Там же.

47

Michael Faraday. Experimental Researches in Electricity (Экспериментальные исследования по электричеству). – London, Bernard Quaritch, 1839–1855. 3 vols. – Pp. 436–437.

48

В оригинальном трактате Максвелла уравнения занимают целую страницу. Сегодня те же самые уравнения укладываются в полстроки: dF = 0, d*F = J. Скоро мы поймем почему.

49

Если графически изобразить поле вектором (стрелкой) в каждой точке пространства, то конец стрелки указывает направление фарадеевой линии, точнее сказать, касательной к ней, а длина стрелки пропорциональна плотности фарадеевых линий.

50

То есть множества событий, отделенных пространственноподобным интервалом от опорного события.

51

Вдумчивый читатель отметил бы, что средний момент моей четверти часа можно рассматривать как одновременный с вашим ответом. Читатель, изучавший физику, вспомнит, что это «эйнштейновское соглашение» для определения одновременности. Так, определенная одновременность зависит от того, как двигаюсь я, и, следовательно, определяет не одновременность двух событий, но лишь их одновременность относительно заданного состояния движений конкретных тел. На рис. 3.3 одна точка стоит на полпути между a и b – в том месте, где я покидаю прошлое наблюдателя и попадаю в его будущее. Другая точка стоит на полпути между e и d и отмечает место, где я покидаю прошлое наблюдателя и вхожу в его будущее, если двигаюсь по другой траектории. Обе эти точки одновременны по отношению к читателю согласно рассматриваемому определению одновременности, однако находятся в двух следующих друг за другом моментах времени. Эти две точки одновременны с читателем, но относятся к двум различным вариантам моего движения. Отсюда и термин «относительность».

52

Simplicius. Aristotelis Physica (Аристотелева физика), 28, 15 // Лурье С. Я. Демокрит. – Л., 1970. – Фр. 147. С. 247.

53

Самолет и мяч движутся по геодезическим линиям в искривленном пространстве. В случае мяча геометрия описывается примерно такой метрикой: ds^2 = (1–2Φ(x)) dt^2 – dx^2, где Φ(x) – ньютоновский потенциал. Влияние гравитационного поля уменьшает растяжение времени с высотой. (Читатель, знакомый с теорией, заметит интересную инверсию знака: физическая траектория максимизирует собственное время.)

54

Наблюдения двойной системы PSR B193+16 показывают, что две звезды, которые обращаются одна вокруг другой, испускают гравитационные волны. Это открытие принесло Нобелевскую премию Расселу Халсу и Джозефу Тейлору в 1993 году.

55

Plutarch. Adversus colotem («Против Колота»), 4, 1108 // Лурье С. Я. Демокрит. – Л., 1970. – Фр. 7, с. 209. Слово ϕύσιν означает «природа» и включает смысл «природа чего-либо».

56

См.: «Мы созданы из вещества того же, что наши сны». В. Шекспир, «Буря». – Примеч. ред.

57

Этот член называют космологическим, поскольку его влияние проявляется только на чрезвычайно больших, «космологических» расстояниях. Константа Λ называется космологической постоянной. Ее значение было измерено в конце 1990-х годов, что принесло Нобелевскую премию за 2011 год астрономам Солу Перлмуттеру, Брайану Шмидту и Адаму Рису.

58

A. Calaprice (ed.). Dear Professor Einstein. Albert Einstein’s Letters to and from Children (Уважаемый профессор Эйнштейн. Переписка Альберта Эйнштейна с детьми). – New York, Prometheus Books, 2002, p. 140.

59

В Гёттингене, где работал Гильберт, была в то время самая сильная геометрическая школа.

60

Письмо воспроизводится в: A. Fölsing. Einstein: A Biography (Эйнштейн: Биография) – London, Penguin, 1998 // Визгин В. П. Об истории открытия уравнений гравитационного поля Эйнштейном и Гильбертом (новые материалы) // УФН, т. 171, № 12 (2001), 1347–1363, с. 1354.

61

F. P. De Ceglia (ed.). Scienziati di Puglia: secoli V aC.-XXI, dC, Parte 3 (Ученые Апулии: с V в. до н. э. по XII в., часть 3). – Bari, Adda, 2007. – P. 18.

62

Сфера – это набор точек в R^3, заданный уравнением x^2 + y^2 + z^2 = 1. 3-сфера – это набор точек в R^4, заданный уравнением x^2 + y^2 + z^2 + u^2 = 1.

63

У Данте: “Luce e amor d’un cerchio lui comprende, sì come questo li altri” – «Свет и любовь объемлют этот свод, // Как всякий низший кружит, им объятый», – пер. М. Лозинского. – Примеч. пер.

64

«вмещаемым как будто вмещена…» – пер. М. Лозинского. – Примеч. пер.

65

Выдвигалось возражение, что Данте говорит о кругах, а не о сферах. Но это возражение некорректно. Брунетто Латини пишет о «круге, подобном скорлупе яйца». Слово «круг» для Данте, как и для его учителя и наставника, означает всё, имеющее округлую форму, включая сферы.

66

На поверхности Земли, например, Северный полюс и две точки на экваторе можно соединить в треугольник с тремя равными по длине сторонами и тремя прямыми углами – нечто совершенно невозможное на плоскости.

67

Это современная оценка (13,8 миллиарда лет по данным спутника «Планк»). В первой четверти XX века оценить возраст Вселенной в рамках теории относительности было еще невозможно, а потом измерения Хаббла приводили к сильно заниженным значениям, которые вступали в противоречие с другими оценками. – Примеч. пер.

68

A. Calaprice. Dear Professor Einstein. Albert Einstein’s Letters to and from Children (Уважаемый профессор Эйнштейн. Переписка Альберта Эйнштейна с детьми). – New York, Prometheus Books, 2002, p. 208.

69

Albert Einstein. Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden Gesichtspunkt, Annalen der Physik, 17, pp. 132–148 // Эйнштейн А. «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» / Собрание научных трудов: В 4 т. – М.: Наука, 1966. Т. 3. – С. 92.

70

Модель Бора позволяла предвычислять спектральные линии только одноэлектронных атомов (водорода, иона гелия и т. п.). – Примеч. пер.

71

С биографией Дирака, описывающей странные свойства его характера, можно ознакомиться в книге Graham Farmelo. The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Quantum Genius (Самый странный человек: тайная жизнь Поля Дирака, квантового гения). – London, Faber, 2009.

72

Гильбертовым пространством.

73

Это собственные значения оператора, связанного с обсуждаемой физической переменной. Основное уравнение – это уравнение для собственных значений.

74

Это облако описывается математическим объектом, называемым волновой функцией. Австрийский физик Эрвин Шрёдингер вывел уравнение, описывающее ее эволюцию во времени. Квантовая механика часто ошибочно отождествляется с этим уравнением. Шрёдингер надеялся, что эта «волна» может использоваться для объяснения странностей квантовой теории: мы хорошо понимаем волны – от морских до электромагнитных. Даже сегодня некоторые физики пытаются понять квантовую механику, представляя, что реальность – это шрёдингеровская волна. Однако Гейзенберг и Дирак сразу поняли, что это не так. Считать шрёдингеровскую волну чем-то реальным – значит придавать ей слишком большое значение, что не помогает в понимании теории, а, напротив, ведет к большим недоразумениям. За исключением некоторых специальных случаев, шрёдингеровская волна находится не в физическом пространстве, и это лишает ее всякой интуитивности. Но главная причина, почему шрёдингеровская волна – плохой образ реальности, связана с тем фактом, что когда частица сталкивается с чем-то другим, это всегда происходит в какой-то точке, а не распределено по пространству как волна. Если мы воспринимаем электрон как волну, то сталкиваемся с трудностями при объяснении того, как эта волна мгновенно коллапсирует в точку при каждом столкновении. Шрёдингеровская волна – это не полезный образ реальности, а вспомогательный прием для вычислений, который позволяет нам с некоторой степенью точности предсказывать, где вновь появится электрон. Реальность электрона – это не волна, а то, как он проявляет себя во взаимодействиях, подобно тому человеку, который появлялся на освещенных фонарями пятачках, пока молодой Гейзенберг задумчиво бродил в копенгагенской ночи.

75

Уравнение Дирака.

76

Существует явление, которое, по-видимому, не сводится к Стандартной модели, – темная материя. Астрофизики и космологи наблюдают во Вселенной влияние особого типа материи, которая, похоже, не описывается Стандартной моделью. Там вообще еще немало вещей, о которых мы не знаем.

77

Я считаю, что утверждение, будто бозон Хиггса «объясняет массу», несколько преувеличено. Бозон Хиггса ничего не «объясняет» относительно происхождения массы. Что же он все-таки говорит о массе? Это чисто технический момент: Стандартная модель предполагает некоторые симметрии, и эти симметрии, по-видимому, позволяют существовать лишь безмассовым частицам. Хиггс с коллегами поняли, что можно получить одновременно и симметрии, и массы, если вводить последние косвенным образом, через взаимодействие с определенным полем, известным сегодня как поле Хиггса.

78

Конечная область фазового пространства – пространства возможных состояний системы – содержит бесконечное число различимых классических состояний, но всегда только конечное число ортогональных квантовых состояний. Это число находится путем деления объема области на постоянную Планка в степени, равной числу степеней свободы. Этот результат носит общий характер.

79

Соответствующий фрагмент в переводе Ф. А. Петровского:

…тела изначальные в некое время

В месте, неведомом нам, начинают слегка отклоняться,

Так что едва и назвать отклонением это возможно.

Цит. по: Лукреций. О природе вещей. – М.: Изд-во АН СССР, 1946. – С. 84–85. – Примеч. пер.

80

Или фейнмановским интегралом. Вероятность перемещения из точки A в точку B равна квадрату модуля интеграла по всем путям от экспоненты классического действия вдоль траектории, умноженного на мнимую единицу и деленного на постоянную Планка.

81

Обсуждение реляционной интерпретации квантовой механики см. в статье “Relational Quantum Mechanics” («Реляционная квантовая механика»), опубликованной на сайте Stanford Encyclopedia of Philosophy (http://plato.stanford.edu/archives/win2003/entries/rovelli), и в статье Карло Ровелли (Carlo Rovelli), “Relational Quantum Mechanics” в International Journal of Theoretical Physics, 35, 1637, 1996, http://arxiv.org/abs/quantph/9609002.

82

Специальный механизм на мгновение открывает маленькое окошко в правой части ящика, позволяя фотону вылететь в строго определенный момент времени. Взвесив ящик, можно узнать энергию вылетевшего фотона. Эйнштейн надеялся, что это создаст трудности для квантовой механики, которая утверждает, что время и энергию нельзя точно измерить совместно. Бор ошибочно ответил, что для преодоления этой трудности требуется эйнштейновская общая теория относительности, а Эйнштейн ошибочно согласился с ответом Бора. Правильный ответ Эйнштейну, который Бор не смог найти, но который сегодня ясен, состоит в том, что положение вылетающего фотона и вес ящика остаются связанными друг с другом («коррелированными»), даже когда фотон уже улетел далеко.

83

Фейнман Р. Характер физических законов. М.: 1987. – С. 117. – Примеч. пер.

84

Bas van Frassen. Rovelli’s World, in Foundations of Physics, 40, 2010, 390–417; Michel Bitbol. Physical Relations or Functional Relations? A Non-metaphysical Construal of Rovelli’s Relational (Физические отношения или функциональные отношения? Неметафизическая интерпретация реляционной квантовой механики Ровелли) Quantum Mechanics, Philosophy of Science Archives, 2007, http://philsci-archive.pitt.edu/3506/; Mauro Dorato. Rovelli’s Relational Quantum Mechanics, Monism and Quantum Becoming (Реляционная квантовая механика Ровелли, монизм и квантовое становление), Philosophy of Science Archives, 2013, http://philsci-archive.pitt.edu/9964/, and Che cos’è il tempo? Einstein, Gödel e l’esperienza commune (Что есть время? Эйнштейн, Гёдель и общий опыт). – Rome, Carocci, 2013.

85

Работа по измеримости полей Нильса Бора и Леона Розенфельда: Det Kongelike Danske Videnskabernes Selskabs, in Mathematiksfysike Meddelelser, 12, 1933.

86

Черточка на h в постоянной Планка служит лишь для указания, что в этом уравнении постоянную Планка надо разделить на 2π, – довольно бесполезное специфическое добавление, придуманное физиками-теоретиками, которые считают, что эта маленькая черточка на букве h «делает ее элегантной».

87

Matvei Bronštejn. Quantentheorie schwacher Gravitationsfelder, in Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion, 9, 1936, 140–157; и «Квантование гравитационных волн» // Письма в ЖЭТФ. 1936. T. 6. С. 195–236.

88

См.: F. Gorelik and V. Frenkel. Matvei Petrovich Bronstein and Soviet Theoretical Physics (Boston, Birkhauser Verlag, 1994). Кстати, настоящая фамилия Троцкого был Бронштейн. (См.: Горелик Г. Е., Френкель В. Я. Матвей Петрович Бронштейн. 1906–1938. М., 1990. – Примеч. пер.)

89

Франческо Петрарка. На жизнь Мадонны Лауры. XC (пер. Е. Солоновича). – Примеч. пер.

90

Чтобы услышать эту метафору в изложении самого Уилера, зайдите на сайт http://www.webofstories.com/play/9542?o=MS.

91

Об этом эпизоде вспоминает Брайс Девитт, http://www.aip.org/history/ ohilist/23199.html.

92

Девитт заменил производные дифференциальными операторами в уравнении Гамильтона – Якоби для общей теории относительности (выведенном незадолго до того Пересом). Тем самым он сделал то же, что и Шрёдингер для вывода своего уравнения в своей первой работе: заменил производные дифференциальными операторами в уравнение Гамильтона – Якоби для частицы.

93

Или уравнением Эйнштейна – Шрёдингера.

94

Самая известная альтернатива петлевой квантовой гравитации – это теория струн, основное назначение которой не столько в изучении квантовых свойств пространства и времени, сколько в поиске объединенной теории всех известных полей, цель, быть может, несколько преждевременная при современном уровне знаний.

95

Собственное значение уравнения для оператора объема.

96

Поскольку квантовые состояния гравитации выражаются как, где n относится к узлам, а l – к ребрам графа.

97

Результат расчета прост. Я продемонстрирую его здесь, чтобы вы увидели, как работает дираковский спектр. Возможные значения площади A даются следующей формулой, где j принимает полуцелые значения, то есть 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, 3…

Здесь A – площадь, которую может иметь поверхность, разделяющая два «зерна» пространства; 8 – это обычное число восемь, ничего особенного; π – греческая буква пи, которая, как мы учили в школе, означает отношение длины любой окружности к ее диаметру; эта величина почему-то постоянно появляется в разных разделах физики. Lp – это планковская длина, то есть предельно малый размер, на котором проявляются эффекты квантовой гравитации. L^2p – это квадрат величины Lp, который соответствует (чрезвычайно малой) площади крошечного квадрата со сторонами, равными планковской длине. Таким образом, 8πL^2p – это просто «маленькая» площадь, площадь микроскопического квадрата со стороной примерно в одну миллионную миллиардной миллиардной миллиардной доли сантиметра (10–66 см^2). Интересная особенность этой формулы – квадратный корень в ней. Ключевой момент здесь – то, что j принимает полуцелые значения, то есть кратные 1/2. Например, для каждого из них данный корень приобретает определенные значения, которые в приближенном виде даны в табл. 6.1.

Таблица 6.1. Спин (полуцелый) и соответствующие значения площади в единицах минимальной площади

Умножая числа из правой колонки на площадь 8πL^2p, мы получаем возможные значения площади поверхности. Эти особые значения подобны тем, что появляются при изучении орбит электронов в атомах, где квантовая механика допускает лишь определенные орбиты. Ключевой момент состоит в том, что не существует никаких других площадей, кроме тех, значения которых выводятся из этого уравнения. Никакая поверхность не может иметь площадь в одну десятую 8πL^2p.

98

Только представьте себе, какой бессмысленной мешаниной показались бы нам идеи Аристотеля и Платона, если бы мы знали их только по комментариям, написанным к ним другими авторами, и не имели бы доступа к оригинальным текстам со всеми их ясными и запутанными местами!

99

От англ. spin – вращаться. – Примеч. пер.

100

Квантовое число состояний фотонов в пространстве Фока – это импульс, результат фурье-преобразования положения.

101

Оператор, связанный с геометрией зернистого пространства, – это голономия гравитационных связей, или, в более близких к физике терминах, петля Уилсона в общей теории относительности.

102

Лукреций. О природе вещей. – М.: Изд-во АН СССР, 1946. – С. 33. – Примеч. пер.

103

Гравитационный потенциал.

104

x (t) = 1/2at^2.

105

Особенно когда он стал волноваться…

106

Реальная структура вершин спиновой пены немного сложнее, чем на рис. 7.2, и больше напоминает изображенную на рис. 7.4.

107

Это фейнмановская диаграмма, поскольку это история квантов, как и на фейнмановских диаграммах. За исключением того, что теперь кванты – это не кванты, движущиеся в пространстве, а кванты самого пространства. Схема, которую они рисуют в своих взаимодействиях, – это не представление движений частиц в пространстве, но схема самого пространства. Однако результирующая картина также в полном смысле является решеткой, подобной тем, что используются в решетчатом приближении, отражающем дискретизированное представление пространства-времени. С той разницей, что это больше не аппроксимация, а реальная дискретная структура пространства в малых масштабах.

108

Первое уравнение определяет гильбертово пространство теории. Второе описывает алгебру операторов. Третье задает амплитуду (характеризующую вероятность переходов – примеч. пер.) для каждой вершины, подобной той, что представлена на рис. 7.4.

109

«…все многообразие элементарных частиц объясняется некоторой универсальной первоматерией, которую можно назвать энергией или материей. В этом случае ни одна из элементарных частиц принципиально не выделяется среди других в качестве фундаментальной частицы. Последняя точка зрения соответствует доктрине Анаксимандра, и я убежден, что такой взгляд правилен и в современной физике». Вернер Гейзенберг // Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. – М., 1989. – С. 23.

110

Шекспир В. Сон в летнюю ночь. (Действие 1. Явление 5). Перевод М. Лозинского.

111

Его обращение можно найти на сайте Ватикана: http://www.vatican.va/ holy_father/pius_xii/speeches/1951/documents/hf_p-xii_spe_19511122_di-serena_it.html.

112

Singh S. Big Bang. – London, Harper Collins, 2010. – P. 362.

113

Это интерферометр: он использует интерференцию между лазерными лучами, которые прошли по двум плечам установки, чтобы обнаружить незначительные вариации длины этих плеч.

114

По современным оценкам, масса центральной черной дыры в нашей Галактике немного превышает 4 миллиона масс Солнца. При этом ее поперечник составляет около 25 миллионов километров, то есть она примерно в 20 раз больше Солнца по размерам. – Примеч. пер.

115

Сирах считается частью Библии католиками, большинством восточных православных церквей (в Русской православной церкви считается неканонической. – Примеч. пер.) и признается некоторыми иудеями. Лютеранские церкви включают ее в свои лекционарии и в качестве книги, рекомендуемой для чтения, служения и молитвы, но не рассматривают ее как часть Библии. Сходное отношение у большинства иудеев и в англиканской церкви.

116

Архимед. Исчисление песчинок (Псаммит). – М.; Л., 1932. – С. 76. – Примеч. пер.

117

Меньшее – восемнадцать или менее на рулеточном жаргоне. – Примеч. пер.

118

Тонкий момент: информация измеряет не то, что я знаю, а число возможных различных альтернатив. Когда на рулетке выпадает число 3, я получаю информацию N = 37, поскольку на рулетке имеется 37 чисел; однако информация, которую я получаю, когда при выпадении красного выигрывает число 3, – N = 18, поскольку на рулетке имеется 18 красных чисел. Сколько информации мы получим, если разберемся, кто из братьев Карамазовых убил своего отца? Ответ зависит от того, сколько всего братьев Карамазовых.

119

Эта мысль Демокрита известна по пересказу Аристотеля: «Ведь трагедия и комедия составляются из одних и тех же букв» // Лурье С. Я. – Демокрит. Л., 1970. – Фр. 241, с. 468.

120

Больцман не использовал понятия информации, но его работы можно интерпретировать таким образом.

121

Энтропия пропорциональна логарифму объема фазового пространства. Коэффициент пропорциональности k – это постоянная Больцмана, которая переводит единицы измерения информации в единицы измерения энтропии (Дж/К).

122

В конечной области ее фазового пространства.

123

Подробное обсуждение этих двух постулатов можно найти в статье Carlo Rovelli, Relational Quantum Mechanics // in International Journal of Theoretical Physics, 35, 1637, 1996, http://arxiv.org/abs/quant-ph/9609002.

124

Это как раз то, что (неудачно) называют коллапсом волновой функции.

125

Вот как это происходит формально: больцмановское статистическое состояние описывается функцией на фазовом пространстве, заданной экспонентой гамильтониана. Гамильтониан – это генератор эволюции во времени. В системе, в которой время не определено, не существует и гамильтониана. Но если есть статистическое состояние, мы просто берем его логарифм, и это определяет гамильтониан, а значит, и понятие времени.

126

Лурье С. Я. Демокрит. – Л., 1970. – Фр. 65. С. 223. – Примеч. пер.

127

Diogenes Laertius. Lives of Eminent Philosophers. 2 vols. (New York, Loeb, 1989) // Лурье С. Я. Демокрит. – Л., 1970. – Фр. 58. С. 221.

128

В тексте «Федона» именно такого выражения нет. По-видимому, автор имеет в виду следующий пассаж, которым заканчивается космологический фрагмент диалога: «Правда, человеку здравомыслящему не годится утверждать с упорством, будто все обстоит именно так, как я рассказал». (Федон (пер. С. П. Маркиша) в кн.: Платон. Соч.: В 4 т. Т. 2. – СПб., 2007. – С. 91) – Примеч. пер.

129

Блаженный Августин. Исповедь (пер. М. Е. Сергеенко). – СПб., 2013. – С. 181. – Примеч. пер.

130

Данте А. Божественная комедия. Ад. Песнь XXVI (119–120) (пер. М. Лозинского).

131

Mario Luzi, Dalla torre, в кн.: Dal fondo delle campagne (Turin, Einaudi). P. 214.

Content

Карло Ровелли
Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Предисловие к русскому изданию

От автора

Предисловие. Прогулка вдоль берега

Часть I Корни

1 Крупицы

Существует ли предел делимости?

Природа вещей

2 Классика

Исаак и маленькая луна

Майкл: поля и свет

Часть II Начало революции

3 Альберт

Расширенное настоящее

Самая красивая из всех теорий

Математика или физика?

Космос

4 Кванты

Снова Альберт

Нильс, Вернер и Поль

Поля и частицы – одно и то же

Кванты 1: информация конечна

Кванты 2: неопределенность

Кванты 3: реальность реляционна

Но есть ли у нас подлинное понимание?

Часть III Квантовое пространство и реляционное время

5 Пространство-время квантовое

Джон

Первые шаги к петлям

6 Кванты пространства

Спектры объема и площади

Атомы пространства

Спиновые сети

7 Времени не существует

Время – не то, что мы о нем думаем

Пульс и люстра со свечками

Пространственно-временное суши

Спиновая пена

Из чего сделан мир?

Часть IV По ту сторону пространства и времени

8 По ту сторону Большого взрыва

Мастер

Квантовая космология

9 Эмпирические подтверждения?

Сигналы от природы

Окно с видом на квантовую гравитацию

10 Квантовые черные дыры

11 Конец бесконечности

12 Информация

Тепловое время

Реальность и информация

13 Тайна

Аннотированная библиография

Примечания