Джим Аль-Халили

Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

THE WORLD ACCORDING TO PHYSICS

JIM AL-KHALILI

© 2020 by Jim Al-Khalili

© Перевод на русский язык ООО «Прогресс книга», 2022

© Издание на русском языке ООО «Прогресс книга», 2022

© Серия «New Science», 2022

© ООО Издательство «Питер», 2022

Предисловие

Эта книга – ода физике.

Я влюбился в физику еще подростком. По-видимому, это отчасти объяснялось тем, что она мне хорошо давалась. Этот предмет казался мне увлекательной смесью головоломок и здравого смысла; мне нравилось играть с уравнениями, манипулировать алгебраическими символами, жонглировать цифрами и таким образом познавать секреты природы. В то же время я понимал: чтобы получить толковые ответы на многие серьезные вопросы о природе Вселенной и смысле существования, которые будоражили мой подростковый ум, то изучать мне нужно именно физику. Вот что мне хотелось знать: из чего мы сделаны; откуда мы взялись; есть ли у Вселенной начало или конец; она конечна или тянется бесконечно; что это за штука под названием «квантовая механика», о которой мне говорит отец; какова природа времени? Стремление найти ответы на эти вопросы привело к тому, что я всю жизнь занимаюсь физикой. Теперь у меня есть ответы на некоторые вопросы; остальные я все еще ищу.

Кто-то в своих поисках обращается к религии. Что же до меня, ничто не сравнится с построением гипотез, их тестированием и дедуктивными выводами – со всем тем, что отличает научный метод. Наше понимание мира мы получили благодаря науке, и прежде всего физике, и это не просто один из возможных, одинаково действенных способов узнать «истину». Это – единственный доступный нам способ.

Конечно, многие никогда не полюбят физику так, как я. Возможно, от точных наук их отпугнет сложность предмета – они сами решили или им всегда говорили, что это для «умников». И правда, пока овладеешь тонкостями квантовой механики – голову сломаешь. Но каждый может – и должен – понимать, как удивительно устроена Вселенная, а такое понимание не требует долгих лет учебы. В этой книге я хочу объяснить, чем хороша физика, что делает ее фундаментальной наукой и почему она играет решающую роль в нашем понимании мира. Фантастические масштабы и диапазон тем, которыми занимается современная физика, поражает воображение. Поражает все: и наши знания о составе (почти) всего, что мы видим вокруг, и о том, как элементы связаны друг с другом; и то, что мы можем проследить эволюцию Вселенной чуть ли не с момента зарождения пространства и времени; и то, что благодаря знанию законов физики мы разрабатываем технологии, которые преобразуют нашу жизнь. И сейчас, когда я пишу эти строчки, я все равно задаю себе вопрос: как можно не любить физику?

Эта книга замышлялась как знакомство с некоторыми фундаментальными законами физики. Однако многие из тем, которые я затрону, вы наверняка уже изучали в школе. Но, может, кому-то эта книга поможет по-новому взглянуть на физику и побудит к дальнейшему ее изучению или даже поведет дальше по бесконечной дороге исследований и открытий, как это случилось со мной. Других читателей, у которых знакомство с физикой началось «не с той ноги», эта книга может мягко «подтолкнуть» в нужную сторону. А некоторых просто заставит испытать изумление перед тем, насколько далеко человечество продвинулось в своем стремлении к пониманию тайн Вселенной.

Чтобы рассказать о том, как наука объясняет нам законы Вселенной, я выбрал ряд самых важных понятий современной физики и попытался показать, как они связаны друг с другом. Я расскажу о широком диапазоне физических явлений – от космических до существующих на наноуровне. Вы узнаете о поиске общего закона природы и о простейших физических принципах, управляющих нашей жизнью, о последних теоретических предположениях и о физических понятиях, лежащих в основе нашего каждодневного опыта и технологических достижений. Я также познакомлю вас с некоторыми новыми идеями, которые мы, физики, давно приняли на вооружение, но не вывели их за пределы узкого круга специалистов. Например, на субатомном уровне отдельные частицы, несмотря на достаточное расстояние между ними, могут спонтанно взаимодействовать друг с другом, причем таким образом, который не поддается логическому объяснению. Это свойство, под названием «нелокальность», может в конечном счете заставить нас пересмотреть само понимание структуры пространства. Однако, к сожалению, многие неспециалисты – и даже отдельные ученые – неверно понимают и интерпретируют то, что на самом деле имеется в виду.

Критические замечания научного сообщества (особенно теоретиков) таковы: научно-популярная литература, посвященная основным понятиям физики, не всегда помогает неспециалисту разобраться, в чем суть этих понятий. Как мне кажется, причина в том, что те суперпрофессионалы, которые предлагают новые концепции и пишут научные статьи, не всегда способны донести свои идеи до неспециалистов. В свою очередь, авторы-популяризаторы частенько недостаточно глубоко понимают новые идеи, чтобы и специалисты остались довольны. И даже тому, кто понимает физическую суть явлений и может, как я надеюсь, с успехом общаться с неспециалистами, все равно непросто объяснить без привлечения высшей математики такие термины, как калибровочная инвариантность, дуализм, инфляционное расширение Вселенной, голографический принцип, конформная теория поля, антидеситтеровское пространство или энергия вакуума. Я сделал в этом отношении все возможное, но вполне могут найтись читатели, которые скажут, что можно было бы и лучше. И конечно, они будут правы.

А для тех, кто захочет глубже погрузиться в темы, которые я здесь только затрону, есть масса полезной литературы. На последних страницах вы найдете список книг, которые, как мне кажется, будут наиболее доступны и полезны для этой цели. Многие описывают путь научного прогресса – как физика развивалась в течение тысячелетий, со времен древних греков, как совершались открытия, как выдвигались и отбрасывались различные гипотезы и теории. Они рассказывают о научных революциях, которые опровергали прежние взгляды на Вселенную, а также о ведущих игроках на этой сцене. Однако в своей небольшой книге я не буду оглядываться на пройденный нами путь. Не буду я также говорить о том, сколько нам еще осталось пройти (поскольку этого не знаю, да и подозреваю, что идти еще далеко), хотя в главе 8 я расскажу о том, что мы знаем и чего не знаем.

Я также не ярый сторонник какой-либо определенной теории. Например, когда речь идет о соотнесении квантовой механики и общей теории относительности (а это – священный Грааль современной теоретической физики), я не примыкаю ни к одному из двух лагерей, которые занимаются этой проблемой. Я не приверженец теории струн, но и не увлекаюсь теорией петлевой квантовой гравитации[1], поскольку ни одна из них не относится к моей узкой специальности. Что же касается интерпретации квантовой механики, то я не поддерживаю ни копенгагенскую школу, ни теорию множества миров[2]. Однако это не мешает мне периодически вступать в полемику по этим вопросам.

Еще я постараюсь не слишком увлекаться философскими и метафизическими размышлениями, хотя такой соблазн всегда возникает, когда обсуждаешь серьезные и острые темы, будь то природа пространства и времени, различные интерпретации квантовой механики или даже смысл жизни. При этом я не имею в виду, что физика может обойтись без философии. Чтобы вы поняли, как важна философия в моем предмете, скажу только одно: физики до сих пор не могут договориться, в чем состоит их основная задача – выяснить, каков реальный мир вокруг них, как считал Эйнштейн, то есть отыскать истину, или же построить модель мира и предложить оптимальное для настоящего момента понимание реальности – реальности, которую мы, возможно, никогда по-настоящему не познаем. Здесь я на стороне Эйнштейна.

Проще говоря, я хочу сказать, что физика дает нам инструменты для понимания Вселенной. Изучение физики – это поиск ответов на вопросы. Но, чтобы начать поиск, мы должны сначала поставить правильные вопросы, в чем философы как раз очень сильны.

Итак, мы начнем свое путешествие в соответствующем моменту смиренном состоянии – в том состоянии, которое, по сути, присуще нам всем, и детям, и взрослым, и прошлым, и будущим поколениям, – в состоянии незнания. Думая о том, чего мы еще не знаем, мы можем придумать, как нам об этом лучше всего узнать. Именно то огромное количество вопросов, которые мы задавали на протяжении истории развития человечества, позволило нам составить достаточно точную картину нашего мира, который мы знаем и любим.

Итак, вот он – мир согласно физике.

Глава 1. Трепет понимания

Хотя вымысел всегда будет частью истории человечества и даже науки, а наша жизнь без него была бы только беднее, современная наука потеснила мифы и связанные с ними суеверия. Миф о создании мира – хороший пример того, как мы демистифицировали наш подход к пониманию мира. С древнейших времен человечество сочиняло истории о начале мира, о божествах, которые имели к этому отношение, – от шумерских легенд о боге Ану, или Небесном Отце, до греческих мифов о Гее, созданной из Хаоса, или мифа о создании мира в авраамических религиях, которые все еще считаются истинными во многих сообществах в разных странах. Многим неспециалистам может показаться, что существующие космологические теории о происхождении Вселенной ничем не лучше религиозных представлений, которым они пришли на смену. И если внимательнее взглянуть на некоторые спекулятивные теории современной теоретической физики, придется согласиться, что такие мнения не лишены оснований. Но рациональный анализ и тщательные наблюдения – трудоемкий процесс тестирования и накапливания научных данных, а не принятие толкований на веру – позволили нам достаточно уверенно утверждать, что многое о нашей Вселенной нам уже известно. Мы также можем утверждать, что еще не разгаданные тайны не обязательно связаны с чем-то сверхъестественным. Это явления, которые нам еще предстоит объяснить, которые мы, как я надеюсь, однажды поймем благодаря нашему разуму, анализу и – да… физике.

В противоположность отдельным мнениям научный метод – это не просто еще один способ смотреть на мир, это не еще одна идеология или система верований. Это то, каким образом мы познаем природу методом проб и ошибок, экспериментов и наблюдения, через готовность отказаться от идей, которые оказываются неверными или незавершенными, и принять новые, более удачные, а также через распознавание закономерностей в природе и прекрасного в математических уравнениях, которые описывают эти закономерности. Мы все время углубляем свои представления и приближаемся к «истине» – к тому, каким действительно является мир.

Конечно, у ученых те же мечты и предрассудки, что и у всех остальных; они придерживаются взглядов, которые не всегда объективны. То, что одна группа ученых называет принятым мнением, другая группа может считать догмой. То, что одно поколение считает установленным фактом, следующее может полагать наивной ошибкой. Точно так же, как в религии, политике или спорте, в науке всегда бушуют споры. Всегда существует опасность, что, пока какая-то проблема остается неразрешенной или по крайней мере решение подвергается сомнению, позиции различных сторон превратятся в идеологические оковы. Каждая из точек зрения может иметь свои нюансы и сложности, а ее защитники иногда способны проявить такую же неуступчивость, как и в идеологических дебатах. И точно так же, как в отношении к религиозным, политическим, культурным, расовым и гендерным вопросам, иногда только новое поколение способно сбросить оковы прошлого и сдвинуть научные дебаты с мертвой точки.

Но есть нечто существенное, что отличает науку от остальных областей человеческой деятельности. Одно-единственное точное наблюдение или экспериментальный результат могут в одночасье опровергнуть давно утвердившуюся теорию и предложить новый взгляд на вещи. Это значит, что мы должны более всего доверять тем теориям и толкованиям природных явлений, которые выдержали проверку временем; именно в их верности мы уверены более всего. Земля вертится вокруг Солнца, а не наоборот; Вселенная расширяется, она не статична; скорость света в вакууме всегда остается постоянной, с какой бы скоростью ни двигался измеряющий ее человек, и так далее. Когда совершается новое важное научное открытие, которое изменяет наш взгляд на мир, не все ученые сразу его принимают. Но это их собственная проблема. Научный прогресс неисчерпаем, что, кстати, всегда к лучшему: знание и просвещенность всегда лучше, чем невежество. Мы начинаем с незнания, но стремимся узнать… И хотя по пути мы можем спорить, нельзя игнорировать то, что мы обнаружили. Когда речь заходит о научном понимании того, что такое мир, идея о том, что «счастье в незнании», – это просто ерунда. Как сказал однажды Дуглас Адамс, «я всегда предпочту трепет понимания трепету незнания».

Чего мы не знаем

Верно и то, что мы постоянно узнаем, сколько еще мы еще не знаем. Чем больше мы понимаем, тем больше осознаем наше невежество. В каком-то смысле именно такую ситуацию мы сейчас видим в физике. Мы находимся на такой стадии познания, когда многие ученые наблюдают в этой науке если не кризис, то по крайней мере нарастание напряженности. И есть ощущение, что это еще не предел. Несколько десятков лет назад выдающиеся физики, такие как Стивен Хокинг, задавались вопросом: «Неужели уже виден конец теоретической физики?»[3] Притом что практически «за углом» их ждала теория всего. Они говорили, что теперь остается только расставить точки над i. Но они ошиблись, и не в первый раз. И в конце XIX века физики высказывали подобные мнения, а затем было сделано множество открытий (электрона, радиоактивности, рентгеновских лучей), которые не удавалось объяснить с помощью научных знаний того времени, что привело к рождению современной физики. Многие ученые нашего времени считают, что мы, возможно, находимся на грани новой революции в физике, столь же значительной, как та, что произошла 100 лет назад с возникновением теории относительности и квантовой механики. Я не утверждаю, что мы вот-вот откроем что-то значительное вроде рентгеновского излучения или радиоактивности, но, возможно, чтобы выйти из тупика, нам просто нужен новый Эйнштейн.

Большой адронный коллайдер еще не повторил своего успеха 2012 года, когда был обнаружен бозон Хиггса, что подтвердило существование поля Хиггса (о котором я расскажу позже). Многие физики ожидали, что к настоящему моменту уже будут открыты новые частицы, которые помогли бы разгадать давние тайны. А еще мы до сих пор не понимаем природы темной материи, которая удерживает галактики вместе, или темной энергии, которая разрывает Вселенную на части; у нас даже нет ответов на отдельные фундаментальные вопросы: почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии; почему свойства Вселенной обладают такой тонкой настройкой, которая создает возможность существования звезд, планет и жизни в целом; существует ли Мультивселенная; было ли что-нибудь до Большого взрыва, что привело к созданию Вселенной в ее современном виде. И все равно трудно не изумиться тому, что уже сделано. Хотя некоторые научные теории могут оказаться связанными друг с другом на более глубоком уровне, чем мы думали, а другие могут оказаться ошибочными, никто не будет отрицать того, что мы прошли огромный путь.

Иногда в свете новых эмпирических данных мы начинаем понимать, что забрели не туда. А иногда нам приходится уточнять идею, которая оказывается не то чтобы неверной, а просто приблизительной, такой, с которой надо еще поработать, чтобы получить более точную картину мира. А еще есть области фундаментальной физики, в которых, как мы подспудно чувствуем, мы еще не поставили точку, поэтому пока опираемся на существующие знания ввиду их полезности. Хорошим примером этого является ньютоновский закон всемирного тяготения. О нем все еще уважительно говорят как о законе, поскольку физики в свое время были настолько уверены, что это последнее слово в этой области, что подняли его статус выше, чем обычная теория. Это название прижилось, хотя мы теперь знаем, что уверенность была несколько беспочвенной. На смену ньютоновскому закону пришла общая теория относительности Эйнштейна (заметьте, теория!), поскольку она предлагает более глубокое и точное объяснение явления земного тяготения. Тем не менее для вычисления орбит космических аппаратов мы все еще пользуемся уравнениями Ньютона. Прогностическая сила ньютоновской механики может не обладать той точностью, что теория Эйнштейна, но ее достаточно почти для всех практических целей.

Другой пример того, над чем мы продолжаем работать, – Стандартная модель элементарных частиц. Мы объединяем две различные математические теории под названием «теория электрослабого взаимодействия» и «теория квантовой хромодинамики», которые при совместном использовании описывают свойства известных элементарных частиц и сил, возникающих между ними. Некоторые физики считают, что Стандартная модель не более чем паллиатив, который можно использовать, пока не будет разработана более точная и всеобъемлющая теория. Однако примечательно, что в своем нынешнем виде теория Стандартной модели может объяснить нам все, что нам нужно знать о природе материи: как и почему электроны определенным образом выстраиваются вокруг атомного ядра, как атомы взаимодействуют, формируя молекулы, как эти молекулы объединяются, образуя материю вокруг нас, как материя взаимодействует со светом – и, таким образом, объяснить почти все окружающие нас явления. Лишь один из ее разделов, квантовая электродинамика, лежит в самой основе науки химии!

Однако Стандартная модель не является исчерпывающей в том, что касается природы материи, поскольку она не описывает силы притяжения, а также не объясняет темной материи и темной энергии, которые на пару образуют большую часть того, из чего состоит Вселенная. Ответы на одни вопросы естественным образом порождают новые вопросы, а физики продолжают свои исследования «за пределами Стандартной модели» в попытке разобраться с этими важнейшими «неизвестными».

Как мы продвигаемся вперед

Успехи в физике более, чем в любой другой науке, обусловлены взаимодействием теории и эксперимента. Теории проходят испытание временем только в том случае, если они подтверждаются результатами опытов. Теория хороша только тогда, когда она позволяет прогнозировать результаты, которые можно подтвердить в лаборатории. Но если экспериментальные результаты противоречат теории, то последнюю придется изменить или даже вообще от нее отказаться. И наоборот, лабораторный опыт может указать на те явления, которые еще не получили объяснения и требуют дальнейшего развития теории. Ни в какой другой науке мы не увидим такого удивительного взаимодействия. Теоремы чистой математики доказываются с помощью логики, дедукции и аксиом. Они не требуют подтверждения фактами из окружающей действительности. Напротив, геология, этология и психология поведения в основном опираются на наблюдения, и наше продвижение в этих дисциплинах зависит от кропотливого сбора данных или тщательно разработанных лабораторных тестов. Однако физика может прогрессировать только в том случае, если теория и эксперимент идут рука об руку, поочередно подтягивая друг друга и указывая на следующий выступ на склоне.

Луч света, направленный на неизведанное, – еще одна хорошая метафора, отражающая то, как физики разрабатывают свои теории и модели, как они придумывают эксперимент для проверки какого-либо механизма. Если говорить о поиске новых идей в физике, то всех исследователей можно, грубо говоря, разделить на два типа. Представьте себе, что вы идете домой темной, безлунной ночью, и вдруг вы понимаете, что в вашем кармане дыра и в какой-то момент из нее выпали ключи. Вы знаете, что они должны лежать где-то на том участке дороги, который вы только что прошли, поэтому идете обратно по своим следам. Но разве при этом вы осматриваете только освещенные фонарями участки? А может, вы осмотрите и неосвещенные участки, которые оказались между фонарями? Ваши ключи, скорее всего, упали именно там, но найти их будет труднее.

Так вот, есть физики, работающие «на свету», и физики, работающие «в темноте». Первые предпочитают не рисковать и разрабатывают теории, которые можно проверить экспериментально, – они ищут там, где «светло». Это значит, что они, как правило, не выдвигают оригинальных идей, но все-таки могут добиться определенных успехов в открытии истины. Напротив, физики, работающие «в темноте», выдвигают новые умозрительные идеи, которые не очень легко проверить. У них меньше шансов на успех, но если их идеи верны, если их открытия могут привести к революционным сдвигам в нашем понимании мира, то они окажутся в большем выигрыше. И такое различие в подходах гораздо более явственно в физике, чем в других науках.

Я понимаю тех, кого раздражают физики-мечтатели, исследующие эзотерические области вроде космологии или теории струн, ведь это те, кто предпочитает то тут, то там добавить пару параметров только для того, чтобы их уравнения выглядели эстетичнее, кто выдвигает гипотезу о бесконечности параллельных вселенных, чтобы уменьшить количество непонятного в нашей. Однако известны и некоторые примеры, когда такие исследователи натыкались на «золотую жилу».

Гений XX века Поль Дирак как раз и руководствовался в своих исследованиях красотой уравнений, что привело его к постулату о существовании антиматерии за несколько лет до того, как она была открыта в 1932 году. А ведь есть еще Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг, которые в середине 1960-х годов независимо друг от друга предсказали существование кварков, причем еще не существовало никаких экспериментальных данных о возможности существования таких частиц. Питеру Хиггсу пришлось ждать целых полвека, прежде чем открыли его бозон и была подтверждена теория, которая теперь носит его имя. Даже пионер квантовой теории Эрвин Шредингер предложил свое уравнение на основании одной лишь догадки. Он выбрал правильную форму математического уравнения, хотя и не знал, что означает его решение.

Какими уникальными талантами обладали эти физики? Интуицией? «Шестым чувством», которое позволяло им «вынюхивать» секреты природы? Возможно. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг считает, что именно эстетическая красота математики руководила такими теоретиками, как Поль Дирак и великий шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл.

Однако правда в том, что ни один из этих физиков не работал в одиночку, а их идеи все-таки коррелировали со всеми уже установленными фактами и экспериментальными наблюдениями.

Поиск простоты

Для меня истинная красота физики заключается не только в абстрактных уравнениях или поразительных результатах экспериментов, но и в фундаментальных принципах, которые лежат в основе существования мира. В них не меньше красоты, чем в потрясающем закате или великом произведении искусства – в картине Леонардо да Винчи или сонате Моцарта. Это красота, которая заключена не в удивительной глубине законов природы, а в обманчивой простоте объяснения того, как они работают (если нам это известно)[4].

И прекрасный пример тому – поиск основных структурных элементов материи, которым человечество занимается давно и долго. Оглянитесь вокруг. Подумайте об огромном разнообразии материалов вокруг нас: бетон, стекло, металл, пластик, дерево, ткани, пищевые продукты, химические вещества… а еще то, из чего состоят растения, кошки, люди… Миллионы различных веществ, причем каждое обладает своими отличительными свойствами, включая сжимаемость, твердость, текучесть, блеск, гибкость, теплоту, холодность… Если бы мы ничего не знали о физике или химии, то можно было бы представить, что большинство материалов имеют мало общего друг с другом; однако мы знаем, что все вокруг состоит из атомов и число видов этих атомов ограничено.

Однако это не все. О структуре материи размышляли еще в V веке до нашей эры в Древней Греции. Эмпедокл впервые предположил, что материя состоит из четырех основных «элементов» (теория «четырехкратных корней всего»): земли, воды, воздуха и огня. В противоположность этой простой идее и примерно в то же время два философа, Левкипп и Демокрит, высказали предположение, что материя состоит из невидимых глазу «атомов». Однако эти две идеи противоречили друг другу. Демокрит считал, что материя в конечном счете состоит из основных структурных элементов; он думал, что таких атомов может быть бесчисленное множество. Между тем Эмпедокл, который предполагал, что все вокруг состоит из четырех элементов, утверждал, что эти элементы непрерывно перетекают друг в друга и могут бесконечно делиться на более мелкие сущности. И Платон, и Аристотель поддерживали последнюю теорию и отвергали атомизм Демокрита, считая, что упрощенный механистический материализм не объясняет всего разнообразия красоты и форм окружающего мира.

То, чем занимались греческие философы, не было истинной наукой в ее современном понимании. Кроме нескольких известных исключений – Аристотеля, занимавшегося наблюдениями, и Архимеда, проводившего эксперименты, остальные строили отвлеченные и философские теории. Тем не менее сегодня со всем инструментарием современной науки мы знаем, что обе теории (атомистическая и четырех элементов) были, по крайней мере по духу, не так уж далеки от истины. Все вещество, образующее наш мир, включая человеческое тело и все, что мы видим в космосе – Солнце, Луну, звезды, – действительно состоит менее чем из сотни разного рода атомов. Мы также знаем, что атомы обладают внутренней структурой. Они состоят из микроскопических плотных ядер, окруженных электронным облаком, а само ядро состоит из более мелких элементов, протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, образуются из еще более простых элементов под названием «кварки».

Таким образом, несмотря на кажущуюся структурную сложность материи и бесконечное разнообразие веществ, образованных из химических элементов, правда в том, что древние ученые в своих поисках простоты остановились на полпути. В понимании сегодняшней физики вся видимая материя образована не четырьмя элементами, предсказанными еще греками, а тремя элементарными частицами: «верхним» кварком, «нижним» кварком и электроном. И всего-то. Все остальное – детали.

И все же задача физиков не только в классификации того, из чего состоит мир. Она еще и в том, чтобы найти правильные объяснения для наблюдаемых нами природных явлений, а также принципов и механизмов, лежащих в их основе. Хотя древние греки страстно спорили о реальном существовании атомов или абстрактной связи между материей и формой, они никакого понятия не имели о том, почему происходят землетрясения или откуда берется молния, не говоря уже о таких астрономических явлениях, как фазы Луны или периодические появления комет, – хотя они пытались это понять.

Со времен древних греков мы прошли большой путь, однако есть еще многое, что нам предстоит понять и объяснить. Физика, о которой я расскажу в этой книге, – это в основном то, в чем мы уверены. Я все время буду пояснять, почему мы в этом уверены, и отмечать то, что еще требует уточнения. Естественно, я понимаю, что в какой-то своей части эта книга скоро устареет. Действительно, может случиться, что на следующий день после ее публикации будет сделано какое-нибудь открытие, которое заставит нас отчасти пересмотреть свои идеи. Но такова уж природа науки. В основном же все, о чем идет речь в книге, описывает мир таким, как он есть, и это уже, несомненно, установлено.

В следующей главе я исследую понятие масштаба. Ни одна наука не обращается так смело, как физика, с таким диапазоном масштабов, параметров времени и энергий, от мельчайшего мира квантов до огромного космоса или от мига до вечности.

После того как мы получим некоторое представление о масштабе явлений, с которыми имеет дело физика, мы пустимся в настоящий путь, начав с трех столпов современной физики: теории относительности, квантовой механики и термодинамики. Чтобы нарисовать картину мира, которую мы получили с помощью физики, мы должны сначала приготовить холст – а в данном случае это пространство и время. Все во Вселенной берет начало из событий, которые происходят где-то в пространстве в определенный момент времени. Однако, как мы увидим в главе 3, нельзя отделить холст от картины. Пространство и время сами по себе являются нераздельной частью реальности. Вы будете поражены, когда узнаете, насколько понимание пространства и времени у физиков отличается от обычного, бытового их понимания, поскольку оно опирается на общую теорию относительности Эйнштейна, которая описывает природу пространства и времени и определяет, как мы представляем себе космическую ткань. Когда готов холст, можно переходить к краскам. В главе 4 я расскажу, что имеет в виду физик под материей и энергией, основными элементами Вселенной; из чего они состоят, как они создаются и как себя ведут. Эта глава дополняет предыдущую, поскольку здесь речь пойдет и о том, как материя и энергия неразрывно связаны с пространством и временем, в которых они существуют.

В главе 5 мы погружаемся в мир чрезвычайно малого, подвергая его многократному увеличению, чтобы исследовать фундаментальные структурные элементы материи. Это квантовый мир, в котором материя ведет себя совершенно не так, как в нашей обыденной жизни, а наше понимание реально существующего становится не совсем однозначным. И все же… то, как мы понимаем квант, – это нечто гораздо большее, чем взлет воображения или просто интеллектуальная абстракция; без определенного знания законов, действующих для структурных элементов материи и энергии, мы не смогли бы построить современный высокотехнологичный мир.

В главе 6 мы снова уберем увеличение, оставим квантовый мир и посмотрим, что получится, если соединить много частиц в единое целое, формируя более крупные и сложные системы. Что имеют в виду физики, когда говорят о порядке, беспорядочности, сложности, энтропии и хаосе? Здесь я познакомлю вас с третьим столпом физики – термодинамикой, которая занимается исследованием тепла, энергии и свойств массивов материи. Перед нами неизбежно встанет вопрос: что же делает особенной жизнь как таковую? Чем живая материя так отличается от неживой? В конце концов, жизнь должна подчиняться тем же законам, что и все остальное. Другими словами, может ли физика помочь нам понять разницу между химией и биологией?

В главе 7 я исследую одно из самых сложных физических понятий – унификацию. Оно связано с тем, как мы искали и неоднократно находили универсальные законы, которые объединяют на первый взгляд несовместимые явления природы в рамках единой универсальной теории. В заключение этой главы я дам обзор первых попыток создания всеобъемлющей физической теории всего.

В главе 8 мы доберемся до границ того, что мы сейчас понимаем о физической Вселенной, и сможем наконец обратить свой взор на неизведанное. Я расскажу о некоторых тайнах физической Вселенной, над которыми сейчас бьются физики в разных странах мира, и о том, насколько мы близки к их раскрытию.

Предпоследняя глава посвящена тому, как взаимодействие теории и практики в физике привело к возникновению технологий, которыми мы активно пользуемся сегодня. Например, без квантовой механики мы не смогли бы понять работу полупроводников или изобрести силиконовый чип, на котором основана вся современная электроника, а я бы не печатал эти слова на своем ноутбуке. Я также попробую предсказать, как современные исследования в области квантовых технологий могут самым неожиданным образом революционизировать мир.

В последней главе я исследую понятие научной истины, особенно в нашем обществе «постправды», когда многие относятся к науке с подозрением. Как процесс научного исследования отличается от прочих видов человеческой деятельности? Есть ли такая вещь, как абсолютная научная истина? И если задача науки заключается в том, чтобы прояснить картину окружающего мира, то как ученым убедить остальных членов общества в ценности научного поиска, состоящего в формировании и проверке, а также отказе от гипотез, если данные их не подтверждают? Придет ли науке конец в один прекрасный день, когда мы узнаем все, что можно узнать? Или поиск ответов и далее будет заставлять нас работать над все более широким кругом проблем?

Во введении я обещал вам, что постараюсь не увлекаться философскими размышлениями, и все-таки именно этим я сейчас занимаюсь, а ведь я даже не завершил еще введение. Так что сейчас я сделаю глубокий вдох, и мы отправимся в путь, соблюдая всяческую осторожность и учитывая необходимый масштаб явлений.

Глава 2. Масштаб

В отличие от философии, логики и чистой математики физика является наукой одновременно эмпирической и количественной[5]. Она основывается на тестировании и верификации научных идей посредством воспроизводимых наблюдений, измерений и экспериментов. Хотя физики могут периодически выдвигать экзотические и диковинные математические теории, их подлинная эффективность и потенциал определяются тем, в какой мере они описывают явления реального мира, которые, в свою очередь, могут использоваться для их тестирования.

Именно поэтому Стивен Хокинг так и не получил Нобелевскую премию за свою работу об излучении энергии черными дырами – явлении, известном как излучение Хокинга, – опубликованную им в середине 1970-х; ведь Нобелевские премии присуждаются только за теории или открытия, которые получили экспериментальное подтверждение. Точно так же Питеру Хиггсу и другим, кто высказал предположения такого же рода, пришлось ждать целых полвека, когда существование бозона Хиггса было подтверждено с помощью Большого адронного коллайдера.

Именно в этом причина того, что физика как научная дисциплина начала по-настоящему развиваться только тогда, когда были изобретены приборы и инструменты, необходимые для проверки верности физических теорий посредством наблюдения, экспериментов и количественных измерений. Возможно, древние греки и были прекрасными мыслителями, развившими такие науки, как философия и геометрия, до уровня сложности, который практически соответствует сегодняшнему, но – за исключением Архимеда – они не особенно известны своей склонностью к экспериментам. Физика как наука достигла настоящей зрелости только к XVII веку – в большой степени благодаря двум приборам, имеющим решающее значение для всех точных наук: телескопу и микроскопу.

Если бы мы могли понимать только тот мир, который виден невооруженным глазом, мы бы недалеко ушли в изучении физических явлений. Диапазон волн, который «видит» глаз человека, – это лишь небольшая область всего электромагнитного спектра. Причем наш глаз может воспринимать только такие объекты, которые не слишком малы по размеру и находятся на ограниченном расстоянии. Хотя при условии, что до нашего глаза доберется достаточное количество фотонов (и при условии, что у них нет для этого ограничений по времени), мы должны быть способны видеть до бесконечности – это вряд ли позволило бы нам разглядеть все необходимые детали. Однако изобретение микроскопа и телескопа открыло нам окно в мир, увеличив все слишком малое и приблизив все слишком далекое. И это стало прорывом в науке. Наконец-то мы получили возможность проводить наблюдения и подробные измерения, проверять верность наших теорий и уточнять их.

Седьмого января 1610 года Галилей направил свою усовершенствованную трубу на небо и навсегда опроверг постулат, что мы являемся центром Вселенной[6]. Он увидел четыре спутника Юпитера и сделал совершенно верный вывод, что гелиоцентрическая модель Коперника истинна и Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Наблюдая космические тела на орбите Юпитера, он доказал, что не все небесные тела вращаются вокруг нас. Земля является не центром Вселенной, а просто одной из планет, вращающихся вокруг Солнца наряду с Юпитером, Венерой и Марсом. Этим открытием Галилей положил начало современной астрономии.

Но его открытие стало прорывным не только в астрономии. Оно позволило подвести основательный фундамент под само понятие научного метода. Отталкиваясь от работы средневекового арабского физика Ибн аль-Хайтами, Галилео «математизировал» саму физику. Разрабатывая математические отношения, которые описывают – а по сути, предсказывают – движение тел, он однозначно доказал, что книга природы «написана на математическом языке»[7].

В это же время Роберт Гук и Антони ван Левенгук с помощью микроскопа открыли новый мир совершенно иного толка. Знаменитая книга Гука под названием «Микрография», опубликованная в 1665 году, содержит поразительные изображения миниатюрных объектов, которые до этого никто никогда не видел, – от глаза мухи и волосков на спине вши до отдельных клеток растений.

Сегодня линейка масштабов, доступных для научного исследования, поражает воображение. Электронные микроскопы позволяют видеть отдельные атомы размером в одну десятую миллионной доли миллиметра в поперечнике, а гигантские телескопы дают возможность заглянуть в самые дальние уголки видимой Вселенной, находящиеся на расстоянии 46,5 миллиарда световых лет[8]. Никакая другая наука не изучает явления в таком широком диапазоне. Да что там разрешение до отдельных атомов – ученые из Университета Сент-Эндрюс в Шотландии недавно показали мне нечто сногсшибательное. Они придумали способ измерения длины световой волны с помощью прибора под названием «волномер», причем с точностью до одного аттометра, то есть одной тысячной диаметра протона. Они пропустили лазерный луч через отрезок оптического волокна, что придало лучу зернистую фактуру, а затем проследили, как эта фактура меняется в зависимости от мельчайших изменений длины световой волны.

Между тем физика охватывает не только огромный диапазон размерностей; мы можем в этом же смысле говорить о времени, от мельчайших долей мгновения до космической бесконечности. Вот пример, поражающий воображение. В эксперименте, проведенном в 2016 году в Германии, физики измерили настолько короткий период времени, что его просто трудно себе представить. Они изучали явление под названием «фотоэлектрический эффект», при котором фотоны высвобождают электроны путем выбивания их из атомов. Этому процессу впервые дал правильное объяснение Эйнштейн в своей знаменитой работе, за которую много лет спустя он получил Нобелевскую премию (а не за открытие теории относительности, как вы, вероятно, думаете). Сегодня этот процесс выбивания электронов из различных материалов называется фотоэмиссией и используется для превращения солнечной энергии в электричество в солнечных батареях.

В эксперименте 2016 года были использованы два лазера. Первый, испускающий неимоверно короткий импульс ультрафиолетового диапазона, направили на струю газообразного гелия. Длительность этого импульса составляла всего десятитысячную долю триллионной части секунды, или 100 аттосекунд (10–18 секунды)[9].Второй лазер был менее мощный (с частотой в инфракрасном спектре), а длительность его импульса была несколько больше, чем у первого. Его задача – захват выбитых электронов, что позволило исследователям вычислить, сколько времени понадобилось для того, чтобы выбить эти электроны. Оказалось, что этот период еще короче и составил всего десятую долю первого импульса. Что интересно, выбитые электроны на самом деле слегка тормозили. Дело в том, что в каждом атоме гелия содержится два электрона, и те, что выбиваются из атома, ощущают воздействие своего оставшегося партнера, что пусть и ненамного, но все же тормозит процесс испускания. Поразительно, что длительность физического процесса, занимающего всего несколько аттосекунд, можно таким образом измерить в лаборатории.

В близкой мне области ядерной физики наблюдаются еще более скоростные процессы, хотя их скорость нельзя измерить непосредственно в лаборатории. Чтобы проанализировать различные структуры атомных ядер и процессов, происходящих при взаимодействии двух ядер, мы пользуемся компьютерными моделями. Например, первая стадия ядерного синтеза – когда, подобно двум каплям воды, сталкиваются два тяжелых ядра, образуя при этом еще более тяжелое ядро, – подразумевает стремительную перестройку протонов и нейтронов из обоих ядер в единое ядро. Этот квантовый процесс занимает менее цептосекунды (10–21 секунды).

На противоположном конце временной шкалы космологам и астрономам удалось с поразительной точностью выяснить возраст (нашей области) Вселенной, и теперь мы совершенно уверены, что Большой взрыв произошел 13,8242 миллиарда лет назад (плюс-минус несколько миллионов лет). Некоторые могут считать нашу уверенность в точности этой цифры слишком большой смелостью – а тем более те, кто продолжает цепляться за средневековое представление о том, что Вселенной всего шесть тысяч лет; поэтому позвольте мне объяснить, как мы ее установили.

Для начала два допущения, которые я подробнее проанализирую позже; пока же скажу только, что оба они имеют убедительное практическое подтверждение: (1) законы физики работают одинаково во всей Вселенной и (2) пространство во всех направлениях неизменно (в смысле плотности и распределения галактик). Это придает нам уверенность в том, что для изучения всего космоса можно пользоваться наблюдениями, сделанными с Земли или со спутников на земной орбите. Это и позволило нам вычислить возраст Вселенной, используя несколько различных методов.

Например, многое можно узнать, изучая звезды в нашей Галактике. Мы знаем, сколько живут звезды в зависимости от их яркости и размера, что предопределяет, насколько быстро они выгорят в результате реакции термоядерного синтеза. Это значит, что можно вычислить возраст самых древних звезд и определить максимальный возраст Вселенной. Поскольку возраст самых древних звезд во Вселенной составляет около 12 миллиардов лет, наша Вселенная не может быть моложе.

Затем, измеряя яркость и цвет света далеких галактик, достигающего наших телескопов, можно вычислить, с какой скоростью расширяется наша Вселенная и как эта скорость менялась во времени. Чем дальше мы заглядываем, тем дальше уходим в прошлое, поскольку свету, который мы наблюдаем, нужны миллиарды лет, чтобы достигнуть Земли; таким образом, мы получаем информацию о далеком прошлом. А если мы знаем, с какой скоростью расширялась Вселенная, можно вернуться во времени к тому моменту, когда все было сжато в одной точке пространства, – это и есть момент рождения Вселенной.

С другой стороны, изучая мельчайшие температурные отклонения в далеком космосе (так называемый космический микроволновый фон), можно получить довольно точное представление о том, какой Вселенная была еще до образования звезд и галактик, всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Это дает возможность еще точнее определить ее возраст.

Однако одно дело – утверждать, что физика позволяет нам больше узнать о Вселенной в кратчайших и величайших временных и пространственных масштабах, другое дело – это то, что мы открыли законы, работающие везде, и это я считаю столь же замечательным. Возможно, вам это не кажется удивительным; возможно, для вас само собой разумеется, что законы природы работают не только в человеческом масштабе, но и в других пространственных, временных и энергетических масштабах. Однако это совсем не столь очевидно.

Чтобы рассмотреть этот вопрос более подробно, я введу еще три понятия, которые не всегда известны изучающим физику при всей их обязательности: понятия универсальности, симметрии и редукционизма.

Универсальность

Первый «универсальный»[10] закон физики был открыт Исааком Ньютоном[11].Видел ли он на самом деле яблоко, упавшее с дерева на ферме его матери, что дало толчок к открытию закона тяготения, а также как именно выглядит математическая формулировка этого закона – это сейчас неважно. Главное, что Ньютон понял: сила, которая притягивает яблоко к земле, имеет то же происхождение, что и сила, которая заставляет Луну вращаться вокруг Земли, а оба процесса можно легко описать с помощью одной и той же простой математической формулы. Одна и та же сила притяжения определяет поведение предметов на Земле, заставляет Луну вращаться вокруг Земли, планеты – вокруг Солнца, а само Солнце – вокруг центра Млечного Пути. Сила притяжения, которая формирует жизнь на Земле, – та же, которая способствовала формированию всей Вселенной со времени Большого взрыва. Тот факт, что на смену ньютоновскому пониманию тяготения более чем через два столетия пришло более точное эйнштейновское, никак не меняет того, что именно Ньютон первым поведал миру об универсальности этого закона.

Общая теория относительности Эйнштейна, которая уточнила постулаты Ньютона, также заставила нас совершенно по-новому взглянуть на реальность, о чем я буду более подробно говорить в следующей главе. Ведь теория Эйнштейна характеризуется совершенно удивительной универсальностью, и, чтобы вы меня лучше поняли, я приведу здесь лишь один ее аспект. Прекрасное математическое построение, которое Эйнштейн продемонстрировал миру в 1915 году, все еще является самой действенной теорией, объясняющей природу пространства и времени, причем чрезвычайно точной. С ее помощью можно также сделать справедливое предположение, что гравитационное поле будет замедлять течение времени: чем сильнее это поле, тем медленнее течет время.

Этот эффект имеет то удивительное следствие, что часы внутри земного ядра (в глубоком гравитационном колодце) тикают чуть медленнее, чем на поверхности. Другими словами, на каждые 60 лет земной истории ее ядро прибавляло в возрасте на одну секунду меньше, чем кора. Эта цифра была вычислена с использованием формулы общей теории относительности; не совсем ясно, как нам удастся экспериментально ее подтвердить, но доверие к этой формуле так велико, что ни один физик ни капли не сомневается в ее достоверности.

Если поразмыслить об изложенной выше теории, в ней можно обнаружить нечто парадоксальное. В конце концов, если мы пробурим отверстие в Земле и доберемся до ее центра, мы больше не будем чувствовать силу тяготения, поскольку она будет действовать на нас с одинаковой силой со всех сторон, – мы будем ощущать невесомость. Однако воздействие на течение времени обусловлено не силой тяготения в центре Земли, которая равна нулю, а скорее существующим там гравитационным потенциалом. Это количество энергии, которое необходимо для того, чтобы вытянуть тело из этой точки в то место, где сила земного притяжения отсутствует. Физик сказал бы, что ядро Земли – это самая глубокая часть потенциального колодца Земли, где наиболее явно сказывается замедление течения времени.

С помощью измерений можно найти разницу в скорости течения времени даже на высоте нескольких метров. Часы, которые висят на втором этаже нашего дома, находятся под воздействием более слабой силы тяготения, чем часы на первом этаже (первые дальше от земного ядра), и будут идти с еле заметным ускорением. Но этот эффект ничтожен: за один миллион лет они уйдут вперед всего на секунду.

Если вы относитесь к этой информации скептически, позвольте вас заверить, что количественный эффект силы тяготения на время абсолютно реален; если бы мы не учитывали его в телекоммуникационной практике, мобильник в вашем кармане не мог бы с такой точностью определять ваше местоположение. Последнее зависит от сигналов, которые ваш телефон принимает от спутника GPS на орбите и посылает обратно. То время, которое уходит у электромагнитных волн на преодоление этого расстояния, должно определяться с точностью до нескольких сотых долей миллисекунды (и тогда ваше местоположение будет определяться с точностью до нескольких метров). Однако этот принцип не сработает, если мы будем считать, что время везде течет с одинаковой скоростью. На самом деле даже высокоточные атомные часы на борту спутников каждый день убегают вперед примерно на одну сорокамиллионную долю секунды, и их приходится специально замедлять, чтобы показания соответствовали более медленно идущим земным часам. Без этого спутниковые часы забегали бы вперед и ваше местоположение согласно GPS каждый день смещалось бы километров на десять, в результате чего такая информация оказалась бы бесполезной.

Примечательно также, что те самые уравнения общей теории относительности, которые объясняют, как сила тяготения вызывает мельчайшие изменения в скорости тиканья часов, могут еще и рассказать нам о явлениях крупнейшего масштаба, рисуя историю Вселенной на протяжении миллиардов лет, с самого Большого взрыва, а могут даже помочь предсказать ее будущее. Эйнштейновская теория относительности одинаково справедлива и для самых маленьких, и для самых больших временных периодов.

Однако у этой универсальности есть свои границы. Мы знаем, что в области самых мелких размерных и временных масштабов физика обычного мира (и по Ньютону, и по Эйнштейну) перестает работать; вместо нее приходится пользоваться теорией квантовой механики. Как я объясню дальше, по сути, само понятие времени в квантовой теории разительно отличается от понятия, используемого в общей теории относительности. И это одна из многих проблем, которые возникают перед физиками, когда они пытаются свести теорию относительности и квантовую механику в единое целое, теорию квантового тяготения.

Симметрия

Универсальность законов природы имеет интереснейшее математическое обоснование и связано с одной из самых мощных научных идей – с идеей симметрии.

На простейшем уровне все понимают, что значит, если какая-то геометрическая фигура является симметричной, например квадрат. Если вы проведете вертикальную линию через его центр, разделив его надвое (или сделаете то же с помощью горизонтальной или диагональной линии), а потом поменяете обе части местами, вы не измените форму начальной фигуры. Тот же эффект достигается, если квадрат поворачивать на число градусов, кратное 90. Круг даже еще более симметричен, потому что его можно поворачивать на любое число градусов – и его внешний вид останется неизменным.

В физике симметрия может значить нечто гораздо большее, чем просто инвариантность определенной формы при повороте или перевороте объекта. Когда физики говорят о том, что какая-то физическая система обладает симметрией, они имеют в виду, что какое-то свойство этой системы остается неизменным при всяких прочих изменениях. Эта мысль, как выясняется, обладает колоссальным потенциалом. «Глобальные» виды симметрии наблюдаются, когда законы физики остаются неизменными (неизменен способ, с помощью которого они описывают какой-то параметр Вселенной), а все остальные области в одинаковой степени изменяются, или трансформируются.

В 1915 году Эмми Нётер открыла, что во всех случаях, когда мы наблюдаем в природе такую глобальную симметрию, мы непременно обнаружим действующий при этом закон сохранения (когда физическое количество остается неизменным). Например, тот факт, что действие законов физики остается неизменным при перемещении из одного места в другое, дает нам закон сохранения импульса, а тот факт, что действие законов физики остается неизменным при переходе от одного момента времени к другому, дает нам закон сохранения энергии.

Эта идея чрезвычайно полезна для теоретической физики и приводит к важным философским выводам. Физики постоянно ищут более глубокие, менее явные виды симметрии, которые скрыты в их математических выкладках. Теорема Нётер утверждает: чтобы найти способ описания мира, нам не надо «изобретать» особую математику; скорее, как и отмечал Галилей, природа сама говорит на языке математики, который уже существует и лишь ждет своего открытия.

Поиск новых видов симметрий помог физикам в их стремлении объединить все силы природы. Один из видов такой симметрии, который непросто объяснить, называется «суперсимметрия». Мы еще не знаем, является ли она подлинным свойством природы, но, если это так, это помогло бы разгадать несколько загадок, например, из чего состоит темная материя или является ли теория струн истинной теорией квантового тяготения. Проблема в том, что эта теория обосновывает существование некоторых, еще не открытых субатомных частиц. Пока мы не получим экспериментальное подтверждение, суперсимметрия будет оставаться только красивым математическим конструктом.

Кроме того, физики многое узнали – и получили за это кучу Нобелевских премий, анализируя исключения из правил и законов, проистекающих из симметрии. Такие явления называются «нарушением симметрии». С вами когда-нибудь случалось такое: вы сидите за круглым обеденным столом на торжественном мероприятии и не знаете, с какой стороны находится ваша тарелка с хлебом – справа или слева? Аккуратно расставленные тарелки, бокалы и приборы расположены совершенно симметрично. Если не иметь в виду этикет, то, в общем-то, не имеет значения, с какой стороны ваша тарелка для хлеба, но, как только кто-нибудь из гостей сделает свой выбор и (совершенно правильно) положит свой кусок на тарелку слева, симметрия нарушается и все могут последовать его примеру.

Нарушение симметрии помогло физикам понять, какие структурные компоненты образуют материю: это элементарные частицы и силы взаимодействия между ними.

Самый известный пример связан с одним из двух типов сил, действующих в пределах атомного ядра, известным под названием «слабая ядерная сила». До 1950-х годов считалось, что законы физики будут работать точно так же и в зеркальном отражении нашей Вселенной. Эта идея (о возможности замены левого на правое) известна как «закон сохранения четности», который справедлив для трех сил природы: тяготения, электромагнетизма и сильной ядерной силы. Однако оказалось, что слабая ядерная сила, которая связана с переходом протонов в нейтроны и обратно, не подчиняется закону зеркальной симметрии. В этом случае при замене левого на правое физика становится другой. Это нарушение зеркальной симметрии теперь является важным элементом Стандартной модели физики частиц.

Редукционизм

Многое в современной науке построено на следующей идее: понять какое-то сложное свойство этого мира можно, только разделив его на составляющие. Это как с часами, которые надо разобрать, чтобы рассмотреть, каким образом все колесики и шестеренки цепляются друг за друга, заставляя часы работать.

Теория о том, что целое является суммой его частей, известна как редукционизм, и она по сей день является столпом, на который опираются многие науки. Она восходит корнями к греческому философу Демокриту и его теории атомизма, гласившей, что материю нельзя бесконечно делить на более мелкие части, поскольку она состоит из цельных структурных элементов. Более поздние философы, Платон и Аристотель, отвергали атомизм и считали, что в мире есть еще что-то, что они представляли как «форму вещей», которой следует дополнять сами субстанции. Взять, например, форму статуи. Значение и суть статуи – нечто большее, чем тот камень, из которого она сделана. Это расплывчатое метафизическое понятие не вошло в современную физику. Однако, если смотреть на вещи с этой точки зрения, легче понять аргументы против редукционизма.

Возьмем другой пример – воду. Можно сколько угодно изучать свойства молекулы H_2O – геометрию связей между атомами кислорода и водорода и законы квантовой механики, управляющие ими, то, как молекулы воды прикрепляются друг к другу и какую образуют структуру, и так далее. Но мы никогда не сможем вывести свойство «влажности» воды, анализируя лишь ее элементы на молекулярном уровне. Это «новое» свойство становится очевидным, только когда мы наблюдаем триллионы молекул воды в их совокупности.

Значит ли это, что целое – это больше, чем сумма его частей, в том смысле, что нам нужна какая-то дополнительная физика, чтобы объяснить, к примеру, свойства материи в массе? Не обязательно. Идея вновь возникающих физических свойств, таких как тепло, давление или влажность, которые не имеют аналогов на уровне атомной физики, не означает, что система – это нечто большее, чем сумма ее частей, при условии, что эти новые свойства основаны на более фундаментальных концепциях, например электромагнитные силы между субатомными частицами в случае воды.

Редукционистская гипотеза получила новое развитие, когда физики XIX века попытались исследовать свойства сложных систем, которые не подчинялись простым законам ньютоновской механики. Так, открытия Джеймса Максвелла и Людвига Больцмана привели к тому, что к концу века возникли две новые области физики – термодинамика и статистическая механика, что помогло ученым исследовать системы, состоящие из множества частиц, рассматривая их «оптом». (Мы более подробно поговорим об этих разделах физики в главе 6).

Таким образом, хотя нельзя измерить температуру и давление газа, изучая, каким образом отдельные молекулы вибрируют и сталкиваются друг с другом, мы все-таки признаем, что температура и давление определяются не чем иным, как коллективным поведением отдельных молекул. А чем же еще?

Однако, хотя эту редукционистскую идею нельзя считать ложной – в том смысле, что нет никаких волшебных физических процессов, которые бы вдруг возникали, когда мы удаляемся от молекулярного масштаба, – она никак не помогает нам описывать свойства сложных систем. Но, чтобы узнать и понять, как на основании совокупного поведения составляющих частей в системе могут возникать какие-то новые свойства, нам нужна не «новая» физика или «больше» физики. Нобелевский лауреат Филип Андерсон изложил эту мысль в своей знаменитой работе «Много – это другое дело» (More is different).[12]

Однако понимать, что для исследования массива, полученного объединением составляющих его элементов (частиц, атомов и молекул), необходимо больше физики, – это не то же самое, что знать, какой физики нам не хватает. Это становится ясно, если попытаться составить единую картину физической Вселенной. Например, мы еще не умеем выводить законы термодинамики из Стандартной модели физики частиц – или, собственно, делать обратное, поскольку неясно, какой из этих двух столпов физики является более фундаментальным. И мы еще дальше от понимания того, например, что отличает живое от неживого. В конечном счете и я, и вы – все мы состоим из атомов, а то, что мы живы, – это не просто вопрос сложности, поскольку живой организм с точки зрения его атомной структуры не более сложен, чем такой же, но мертвый организм.

И все же… наверное, можно мечтать о том времени, когда мы разработаем единую физическую теорию, которая будет лежать в основе всех природных явлений. До тех пор достаточно помнить, что редукционистская гипотеза имеет серьезные ограничения, а нам нужно пользоваться различными теориями и моделями, в зависимости от того, что мы пытаемся описать.

Пределы универсальности

Несмотря на наше стремление найти универсальные законы физики, ограниченность редукционизма указывает на тот факт, что иногда физические объекты ведут себя по-разному в зависимости от масштабов явления, и анализировать их надо, опираясь на соответствующую модель или теорию. Например, если рассматривать уровень планет, звезд и галактик, то в этом мире главенствует сила тяготения – она поддерживает структуру Вселенной. Однако на уровне атомов она не играет никакой сколько-нибудь заметной роли, поскольку там доминируют другие три силы: электромагнетизм и слабые/сильные ядерные силы. Наверное, самая большая нерешенная проблема всей физики, о которой мы поговорим в главе 5, заключается в том, что законы физики, описывающие наш так называемый классический мир материи, энергии, пространства и времени, просто не работают, когда мы сужаем этот мир до отдельных атомов, где начинают работать совершенно иные законы квантовой механики.

Даже на квантовом уровне нам приходится выбирать ту модель, которая более всего применима к изучаемой системе. Еще с начала 1930-х годов известно, например, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, однако в конце 1960-х было обнаружено, что эти частицы не являются элементарными, а состоят из более мелких составляющих, кварков. Но физики-ядерщики не описывают свойства ядер с помощью кварковых моделей. Хотя на основе упрощенного редукционистского подхода можно предположить, что для более глубокого, более точного описания атомного ядра это просто необходимо. Тем не менее пользы от этого мало. Можно с достаточной уверенностью утверждать, что при описании свойств ядер протоны и нейтроны ведут себя так, как будто они неделимые частицы, а не сложные системы из трех кварков. Поэтому, хотя их свойства и поведение в конечном счете должны определяться их внутренней структурой, это вовсе не очевидно и не обязательно, если мы хотим узнать о таких свойствах, как форма и стабильность ядра. Вообще говоря, даже в самой ядерной физике используется целый ряд очень разных математических моделей, причем каждая лучше всего подходит для определенного класса ядер. Универсальной же теории ядерной структуры не существует.

Вот это я и имею в виду, когда говорю о том, что физические объекты ведут себя по-разному в зависимости от заданного масштаба, рассматриваемого интервала времени и энергии. Физика имеет две чудесные особенности – универсальность многих ее теорий и то, что, более глубоко изучая и анализируя систему, мы лучше понимаем, как ее части соотносятся с целым. Однако верно и то, что нам часто приходится делать выбор в пользу теории, более подходящей для конкретного масштаба. Если вам нужно починить стиральную машину, то вам совсем не обязательно знать все сложности Стандартной модели физики частиц – пусть даже стиральная машина, как все остальное в мире, в конечном счете состоит из кварков и электронов. Если бы мы попытались применить фундаментальные теории физики о квантовой природе мира к нашей будничной жизни, мы бы далеко не ушли.

Теперь, когда мы узнали о возможностях и границах того, в чем нам полезна физика, – от потенциала математической симметрии, лежащей в основе физических законов, от масштаба, в котором эти законы можно применять, до ограничений, налагаемых редукционизмом и универсальностью, – мы готовы наконец взяться за дело. Я начну следующую главу с первого из трех фундаментальных столпов физики – с теории относительности Эйнштейна.

Глава 3. Пространство и время

В такой небольшой книге у меня нет возможности рассказать обо всех областях физики, пусть даже многие очень интересны. Я решил свести существующее понимание устройства мира с точки зрения физики к трем основным постулатам, к трем картинам мира в разных ракурсах. Первая, которой посвящены следующие две главы, основана на исследованиях Альберта Эйнштейна в начале XX века. Она отражает наше современное понимание того, как в крупнейшем масштабе ведут себя материя и энергия под воздействием силы тяготения, – знаменитая общая теория относительности.

Чтобы написать эйнштейновскую картину мира, нужно начать с холста. Базис, на котором происходят все события, – это пространство и время. Однако эти понятия неоднозначны.

Здравый смысл подсказывает нам, что пространство и время должны существовать изначально: пространство – это где происходят события и осуществляются законы физики, а неумолимый ход времени… что ж, он неумолим. Но верно ли такое понимание пространства и времени? Важный урок, который должен выучить каждый физик, – здравому смыслу не всегда можно доверять. В конце концов, именно он подсказывает нам, что Земля плоская, но даже древние греки понимали, что сами ее размеры мешают воспринимать кривизну поверхности и то, что Земля круглая, можно доказать с помощью простых экспериментов. Жизненный опыт говорит нам, что свет имеет волновые свойства и поэтому не может вести себя так, как если бы он состоял из потока отдельных частиц. Иначе как можно объяснить явление интерференции? И все же с помощью точнейших экспериментов уже безусловно доказано, что, когда дело касается естественного света, наши чувства могут нас обмануть. А если речь о квантовом мире, то, чтобы понять, что на самом деле происходит, приходится отказаться от многих обычных понятий, основанных на простой интуиции.

Привычка не всегда доверять интуиции – ценная способность, которую физики унаследовали от философов. Еще в 1641 году Рене Декарт в своих «Размышлениях о первой философии» утверждал: чтобы узнать о материальном мире нечто истинное, нужно сначала подвергнуть все сомнению, невзирая на то, что подсказывают чувства. Это не значит, что нельзя верить ничему, что нам показывают или говорят; это лишь означает, что, согласно Декарту, те утверждения, которые он считает истинными, «требуют сознания, полностью свободного от предрассудков и способного с легкостью отмежеваться от области чувств»[13].

На самом деле задолго до Декарта, в начале XII века, ученый-математик Ибн аль-Хайсам положил начало философскому течению, известному у арабов как al-Shukuk («Сомнения»). Он был плодовитым автором, комментировал греческую небесную механику и утверждал, что всегда нужно подвергать сомнению полученные в прошлом знания и не принимать на веру то, что не подтверждено доказательствами. То есть физика всегда была эмпирической наукой, полагавшейся на научный метод проверки гипотез и теорий посредством эксперимента.

И все-таки отдельные важнейшие прорывы в физике обусловлены логическими выводами, сделанными на основе «мысленных экспериментов» – когда физик анализирует гипотезу и воображает эксперимент, подтверждающий эти выводы. Такой эксперимент, возможно, и неосуществим на практике, но позволяет понять мир исключительно на основе логики и мыслительного анализа. Некоторые из самых известных мысленных экспериментов были осуществлены Эйнштейном и помогли ему разработать теории относительности. Впоследствии их уже можно было проверить с помощью лабораторных экспериментов.

Осознать смысл пространства и времени сложно, поскольку мы сами живем в их пределах и трудно освободить наше сознание от ограниченности наших представлений и «увидеть» наш мир снаружи. И все же, что поразительно, это возможно. В следующем разделе я кратко расскажу о современном понимании природы пространства и времени, которым мы обязаны Эйнштейну и двум его прекрасным теориям относительности.

Как физики определяют пространство и время

Важный вывод из ньютоновской физики: пространство и время реально существуют вне зависимости от материи и энергии, которые существуют внутри них. Однако философы размышляли об этом задолго до Ньютона. Например, Аристотель считал, что пустое пространство само по себе не существует – где нет материи, там нет и пространства. Гораздо позже Декарт утверждал, что пространство – это не более чем расстояние (или «протяженность») между телами. Согласно этим двум мыслителям пространство внутри пустой коробки существует только благодаря стенкам этой коробки – убери их, и объем внутри уже теряет всякий смысл.

Давайте рассмотрим этот пример поподробнее. А если бы оказалось, что первая коробка заключена в другую, большую по размеру? И можно ли тогда сделать заключение, что это пространство и раньше было «реальным»? А теперь представим, что маленькая пустая коробка – и я действительно имею в виду «пустая», в смысле «ничего не содержащая», с вакуумом внутри – движется в вакууме, содержащемся в большей коробке. Остается ли пустое пространство внутри маленькой коробки неизменным во время ее движения, или коробка занимает различные пространства внутри большей коробки? На этот вопрос легко ответить, если мы заменим «пустое пространство» внутри герметичной маленькой коробки водой. Когда коробочка движется внутри большего объема воды, можно утверждать, что внутри нее сохраняются все те же молекулы воды, причем по мере движения она вытесняет воду снаружи. А что, если там нет воды? И что, если теперь мы уберем физические стенки обеих коробок и все остальное в воображаемой Вселенной так, что останется только пустота? Будет ли эта пустота чем-то значимым? Существует ли пустота для того, чтобы быть заполненной материей, или для того, чтобы быть ограниченной стенками коробки? Возможно, я задаю один и тот же вопрос, просто меняя формулировки, но это только потому, что он совсем не тривиальный.

Исаак Ньютон полагал, что пространство должно существовать для того, чтобы в нем содержалась материя и энергия, чтобы в нем происходили события. Он утверждал: пространство – это пустое ничто, независимо от законов физики, которые управляют поведением материи и энергии внутри этого пространства. Для Ньютона пространство – это холст, на котором написана реальность. Ибо как без пространства – и, конечно же, времени, к которому можно прикрепить события, – приписать событиям координаты, по которым их удалось бы определить? Безусловно, они должны случаться «в определенной точке» пространства и «в определенный момент» времени. Как «застолбить» реальность, если у вас нет абсолютного пространства и времени?

Но прав ли был Ньютон? Сегодня мы можем сказать: и да и нет. (Простите.) Прав в том смысле, что пространство реально – это больше, чем просто расстояние между предметами, как утверждал Декарт. И не прав в том смысле, что пространство существует абсолютно, независимо от того, что оно содержит.

Кажется, что эти два утверждения противоречат друг другу… но это только пока вы не узнаете об эйнштейновской относительности. Эйнштейн доказал, что абсолютное время и абсолютное пространство не существуют как отдельные субстанции. И чтобы разобраться, зачем это следует понимать, я должен познакомить вас с первой из двух теорий относительности.

Специальная теория эйнштейна

Пока Ньютон не завершил работу о законах движения, считалось, что споры о природе времени относятся к области философии и метафизики, а не к настоящей науке. Ньютон описал, как движутся и ведут себя предметы под влиянием разных сил, а поскольку всякое движение или изменение длится во времени, оно должно было стать неотъемлемой частью математического описания мира. Однако ньютоновское время носит абсолютный и неизбежный характер: оно течет с постоянной скоростью, как будто существуют некие воображаемые космические часы, отмеряющие секунды, часы, сутки и года независимо от событий и процессов, происходящих в пространстве. В 1905 году Эйнштейн с треском разрушил ньютоновский мир, показав, как время связано с пространством на глубинном уровне.

Эйнштейн пришел к выводу, что время не носит абсолютного характера: оно не для всех течет одинаково. Если я вижу два одновременных события – скажем, две вспышки молнии по обе стороны от меня, – то тот, кто движется в этот момент мимо меня, увидит их не в одно и то же время, а с небольшим разрывом. Причина в том, что скорость течения времени для каждого из нас зависит от нашего движения относительно друг друга. Эта странная идея является одним из первых уроков теории относительности и известна как «относительность одновременности». Давайте поговорим о ней более подробно.

Задумайтесь о том, как достигают ваших ушей звуковые волны. В конце концов, звук является просто вибрацией молекул воздуха, которые передают энергию через столкновения друг с другом. Без материи (воздуха) звук не существует. В космосе никто не услышит ваш крик, как это показано в «Инопланетянине», фильме 1980-х годов.

Идея Эйнштейна в том, что световым волнам, в отличие от звуковых, для перемещения не нужно никакой среды. Его теория опиралась на два постулата (известные как принципы относительности). Первый, восходящий еще к Галилею, утверждает, что всякое движение относительно и нет такого эксперимента, который мог бы подтвердить, что кто-либо или что-либо находится в полном состоянии покоя. Второй постулат гласит, что световые волны перемещаются со скоростью, которая не зависит от скорости источника света. Обе эти идеи кажутся разумными, пока не начнешь вникать глубже в то, что из них следует. Давайте сначала обратимся ко второму постулату – свет для всех движется с одинаковой скоростью – и проведем простой мысленный эксперимент.

Представьте, что вы находитесь на пустой сельской дороге и к вам приближается машина. Звуковые волны от мотора достигнут вас до появления машины, поскольку перемещаются быстрее самой машины, однако их скорость будет зависеть от того, насколько быстро смогут их передавать вибрирующие молекулы; эти волны не доберутся до вас быстрее, даже если машина прибавит скорость. Изменится лишь то, что длина этих волн станет короче. В этом заключается хорошо известный эффект Доплера: по мере того как машина приближается, а потом удаляется от нас, мы ощущаем изменение в высоте звука мотора. Когда звук слабеет, источник волн удаляется, поэтому волны доходят до нас все более растянутыми, отсюда и более низкий тон. Таким образом, хотя длина звуковой волны зависит от скорости источника звука, скорость распространения самих волн по отношению к нам (то есть время, за которое они нас достигнут) не изменится, если только мы не начнем двигаться в пространстве по направлению к приближающейся машине. Пока, надеюсь, все понятно.

Свет – это совсем другое. Для движения ему не нужна среда. Это значит, у нас нет возможности измерить его скорость по отношению к среде и ни у кого нет привилегии, позволяющей утверждать, что он находится в истинном покое и поэтому может измерить «истинную» скорость света. На этом основании Эйнштейн сделал вывод, что скорость света следует считать постоянной, вне зависимости от того, с какой скоростью мы передвигаемся относительно друг друга (конечно, при условии, что при измерении скорости света вдалеке от нас мы не испытываем положительного или отрицательного ускорения)[14].

Теперь представьте себе две ракеты, которые сближаются друг с другом со скоростью, близкой к световой. Астронавт на борту одной из ракет посылает световой импульс навстречу второй, измеряя при этом скорость перемещения этого импульса. Поскольку астронавт может на совершенно законном основании утверждать, что находится в состоянии покоя, тогда как все движение происходит за счет второй ракеты, он должен видеть, как свет удаляется от него со своей обычной скоростью, то есть со скоростью чуть более миллиарда километров в час[15], и именно это он и наблюдает. А астронавт во второй ракете может с тем же основанием полагать, что он без всякого движения «подвешен» в пространстве.

Поэтому он полагает, что, измерив скорость достигшего его света, он получит цифру чуть более одного миллиарда километров в час (поскольку, как и звук машины, скорость света не должна зависеть от скорости, с которой приближается ко второму астронавту источник света). И действительно, получается предполагаемый результат. Поэтому может показаться, что оба астронавта получают одинаковое значение скорости для одного и того же светового импульса, хотя они сами сближаются почти со скоростью света!

Это странное свойство света, как оказывается, обусловлено не самим светом, а свойствами скорости, с которой свет может перемещаться, – скорости, максимально возможной в нашей Вселенной и являющейся связующим звеном между пространством и временем. Ибо свет способен перемещаться с одной и той же скоростью с точки зрения всех наблюдателей вне зависимости от того, с какой скоростью перемещаются они сами, только при одном условии – если мы изменим свое понимание расстояния и времени.

Еще пример. Представьте, что вы посылаете с Земли серию импульсов, или вспышек, в космос – вашему другу, который унесся ввысь на сверхмощной ракете, способной развивать скорость до 99 % скорости света. Вы будете измерять импульсы, которые удаляются от вас со скоростью миллиард километров в час и, значит, постепенно обгоняют ракету вашего друга на 1 % скорости света; так же как автомобиль на хайвее может ехать чуть быстрее, чем машина на соседней полосе, и обгонит ее со скоростью, равной разности их скоростей. Но что увидит ваш друг в ракете, если будет следить за обгоняющими его импульсами? Теория относительности говорит нам, что он все равно увидит, что импульсы обгоняют ракету со скоростью один миллиард километров в час. Помните, что скорость света постоянна, причем для всех наблюдателей.

Все это можно осмыслить только при условии, что время на борту ракеты течет медленнее, чем для вас здесь, на Земле. Только тогда то, что вы наблюдаете как импульс света, медленно обгоняющий ракету, вашему другу покажется мгновенно пронесшимся мимо, поскольку на ракете с ее медленно текущим временем пройдет лишь мгновение, хотя для вашего друга часы будут тикать в нормальном темпе. Одно из следствий того, что все наблюдатели воспринимают скорость света одинаково, – мы по-разному оцениваем время и расстояние. И это действительно так: постоянство скорости света является для всех наблюдателей фактом, вновь и вновь подтверждаемым на практике; в ином случае наш мир лишился бы всякого смысла.

Специальная теория относительности помогает разрешить это парадоксальное противоречие, комбинируя время и пространство таким образом, что результат приемлем для всех. Представьте, что все пространство заключено в огромную кубическую емкость. Чтобы определить некое событие внутри этой емкости, припишем ему координаты x, y и z (указывают его положение относительно трех осей внутри емкости), а также определенное значение времени (момент, когда произошло событие). Здравый смысл, скорее всего, подскажет нам, что временное значение очень отличается от тех, что определяют положение события в пространстве. Но что, если добавить к трем уже существующим осям ось времени? Она должна будет проходить в «направлении», перпендикулярном трем пространственным, что нам трудно представить. Это привело бы к образованию четырехмерного пространства-времени. Упростим эту картину, что поможет нам визуально ее представить, – пожертвуем одним пространственным измерением и поместим наш трехмерный объем на двухмерную плоскость, используя освободившуюся ось для времени. Теперь вообразите этот статичный блок пространства и времени в виде нарезанного батона, где ось времени расположена по его длине. Каждый кусок хлеба является моментальным снимком всего пространства, а следующие друг за другом куски соответствуют следующим друг за другом моментам времени. Эта модель известна в физике как модель блоковой вселенной. Хотя она имеет только три измерения (два пространственных и одно временное), нельзя забывать, что на самом деле она представляет собой четырехмерный конструкт: четырехмерное пространство-время. Математически представить это нетрудно, но невозможно представить зрительно.

Пытаясь представить себе 4D время-пространство снаружи, мы испытали бы всю полноту бытия, причем не только в пространстве, но и во времени: прошлое, настоящее и будущее в едином и застывшем состоянии. Такое вообразить невозможно, это выше человеческого понимания, потому что на самом деле мы всегда находимся в ловушке блоковой вселенной и воспринимаем ход времени как непрерывное медленное движение по оси времени, плавный переход от одного «куска хлеба» к другому, как будто кадры фильма сложены в стопку, а не следуют друг за другом, как на пленке. Концепция блоковой вселенной помогает нам понять, как может меняться наше восприятие действительности под воздействием теории относительности. Два наблюдателя, которые перемещаются с большой скоростью друг относительно друга, могут зафиксировать два события – скажем, вспышки света, но они разойдутся во мнении по поводу того, какова разница во времени между этими событиями или на каком расстоянии друг от друга они произошли. Это та цена, которую мы должны заплатить, если хотим воспринимать скорость света одинаково. Если рассматривать расстояния и временные интервалы в рамках четырех измерений, заданных теорией блоковой вселенной, то их можно объединить в одно целое, так что интервал между любыми двумя событиями, который называется пространственно-временным интервалом, будет для всех наблюдателей одинаковым. Их разногласия в отношении расстояния и времени, рассматриваемых по отдельности, оказываются не более чем различием в их пространственно-временном положении. Мы с вами можем смотреть на куб под разными углами зрения; и тогда то, что я увижу как глубину (то есть расстояние, измеряемое вдоль линии моего взгляда), будет отличаться от того, что увидите вы, глядя на куб из фронтальной позиции. Однако мы все равно согласимся, что это куб с ребрами равной величины, а любое различие объясняется различием в углах зрения. То же происходит и с четырехмерной блоковой вселенной. Мы всегда будем считать пространственно-временные интервалы между событиями одинаковыми.

Теория относительности Эйнштейна гласит: мы должны рассматривать предметы в рамках четырехмерного пространства-времени, в котором и пространственный, и временной интервал зависит от позиции наблюдателя. Ни один из наблюдателей не может утверждать, что его угол зрения на пространство и время является более правильным, чем любой другой, ибо, как только мы начнем рассматривать пространство и время в их единстве, мы сразу придем к согласию. Взятые по отдельности, пространство и время носят относительный характер, а вот пространство-время как единое целое – абсолютно.

Рис. 1. События в пространстве-времени: два наблюдателя, А и В, движущиеся с большой скоростью относительно друг друга, видят два события (вспышки света), которые разделены в пространстве и времени. Наблюдатели будут по-разному оценивать расстояние и временной интервал между этими событиями. Это объясняется тем, что они по-разному воспринимают пространство и время. Однако в четырехмерном пространстве-времени (для простоты мы здесь пренебрегли двумя пространственными измерениями) пространственно-временной интервал в обеих системах одинаков: два прямоугольных треугольника имеют общую гипотенузу, хотя катеты – расстояние и интервал времени – у них разные.

Общая теория Эйнштейна

Специальная теория Эйнштейна объединяет пространство и время, а его общая теория – пространство-время с материей и энергией; этому и посвящена следующая глава. В ней я расскажу о притяжении. Согласно теории Ньютона сила притяжения действует как резиновая лента, натянутая между телами. Она тянет их друг к другу, сколь далеко друг от друга они бы ни располагались. Эйнштейн дает более глубокое и точное объяснение: сила притяжения, ощущаемая телом, – это мера искривления пространства-времени вокруг этого тела.

Это искривление не поддается визуализации. Невозможно представить себе даже пространственно-временное «плоское» 4D-пространство-время, не говоря уже о его кривизне. В большинстве ситуаций ньютоновское описание притяжения как силы достаточно точно соответствует наблюдаемым фактам, однако его недостатки становятся тем очевиднее, чем сильнее гравитация, например, когда мы приближаемся к черной дыре или когда нам нужно очень точно измерить расстояние и время, скажем, на борту спутника GPS. В таких ситуациях нам придется отказаться от ньютоновского представления и полностью признать эйнштейновское понимание искривленного пространства-времени.

Поскольку притяжение определяется искривлением пространства-времени, оно оказывает влияние на ход времени, а также на форму пространства. Для нас, существующих в рамках пространства-времени, этот эффект проявляется в замедлении течения времени, подобном тому, что мы наблюдаем, когда тела движутся со скоростью, близкой к скорости света. Чем ближе к источнику поля часы, тем сильнее притяжение и тем медленнее они будут тикать по сравнению с часами, удаленными от источника поля в более «плоском» пространстве-времени.

К несчастью для тех, кто предпочитает простые объяснения непростых идей и не любит сложной математики, физики чаще всего не могут дать правильного объяснения, как и почему в условиях сильного притяжения время идет медленнее, либо вообще не могут объяснить это явление. Однако я попробую это сделать.

Согласно специальной теории относительности два человека, движущиеся относительно друг друга, будут фиксировать замедление тиканья часов на руке партнера; аналогичная ситуация происходит, когда два наблюдателя находятся на закрепленном расстоянии друг от друга, но на одного из них действует более мощное притяжение (например, один на Земле, а другой – в космосе). Опять же они будут по-разному воспринимать временной интервал между одними и теми же событиями. Как и в предыдущем случае, их часы тикают по-разному, поскольку тот, что на Земле, оказывается на большей глубине гравитационного колодца, где искривленность пространства-времени сильнее. То есть его часы идут медленнее. Однако, в отличие от специальной теории относительности, ситуация здесь больше не является симметричной, поскольку этот наблюдатель будет воспринимать часы в космосе как тикающие с большей скоростью. Можно сказать, что причина «падения» тела на Землю заключается в том, что оно всегда движется туда, где время идет медленнее, – оно старается замедлить процесс своего старения. Разве это не прекрасно?

Итак, мы обсудили воздействие притяжения на время. А как насчет пространства? Что говорит нам общая теория Эйнштейна относительно того, что притяжение «приводит к искривлению пространства»? Помните, Аристотель и Декарт утверждали, что если нет никакой материи, которая могла бы заполнить пространство, то последнее не может существовать? Эйнштейн развил эту идею. Согласно его общей теории материя и энергия создают гравитационное поле, а пространство-время – это не более чем «структурное свойство» этого поля. А без того, что «содержится» в пространстве-времени, не может быть никакого гравитационного поля, а следовательно, никакого пространства и времени.

Возможно, это звучит несколько философски, и я подозреваю, что даже некоторым физикам это не очень понравится. Проблема отчасти в том, как мы вообще преподаем физику. Обычно мы начинаем со специальной теории относительности и с «плоского» пространства-времени (поскольку эту теорию легче объяснить и поскольку именно она первой пришла Эйнштейну в голову), затем мы переходим к более трудной общей теории относительности, в которой «плоское» пространство-время заполняется материей и энергией, которые заставляют его искривляться. На самом деле концептуально следует делать наоборот – начинать с материи и энергии в рамках пространства-времени. В этом смысле специальная теория относительности – просто идеализированное приближение, которое работает только в случаях, когда притяжение столь мало, что пространство-время может считаться плоским.

То, что я хочу сказать, – штука достаточно тонкая, но, может быть, вас утешит, что и сам Эйнштейн не до конца понимал ее значение. Через два года после окончания работы над общей теорией относительности он написал научно-популярную книгу (или брошюру, как он сам ее называл) «Относительность: специальная и общая теории (в упрощенном изложении)», которая была впервые опубликована в Германии в 1916 году. В течение последующих 40 лет, по мере уточнения своей теории на основе новых математических данных, Эйнштейн дополнял свою «брошюру» приложениями. В 1954 году, за год до смерти, он написал пятое, последнее приложение: двадцать страниц самых глубоких мыслей, которые когда-либо рождались в человеческом мозгу.

Чтобы понять идеи Эйнштейна, нужно знать, что такое «поле» в физике. Самое простое определение – это область пространства, содержащая некую форму энергии или воздействия, где каждой точке можно приписать величину, которая отражает характер поля в этой точке. Это похоже на магнитное поле вокруг магнитного бруска. Поле наиболее сильно у полюсов магнита, а по мере удаления от магнита постепенно слабеет. Рисунок, который образуют железные опилки, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля, – это реакция опилок на поле, в котором они оказались. Однако то, что я хочу сказать, кажется слишком очевидным: для существования магнитного поля необходимо пространство.

И наоборот, гравитационное поле в понимании Эйнштейна создается просто при условии существования материи и является не более чем областью воздействия в рамках пространства и времени. Оно и представляет собой пространство-время.

В приложении 5 к своей «брошюре» Эйнштейн попытался разъяснить свое видение этой темы. В новом предисловии к изданию 1954 года он пишет:

«Пространство-время – не обязательно нечто, чему можно приписать независимое существование, вне связи с предметами физического мира. Физические предметы не находятся в пространстве, они занимают его. Таким образом, понятие “пустого пространства” теряет всякий смысл».

И далее: «Если мы представим, что гравитационное поле… будет ликвидировано, то уже не будет пространства типа (1) [то есть плоского пространства-времени], не будет ничего». Плоское пространство-время, «если на него смотреть с точки зрения общей теории относительности, – это не пространство без поля, это – особый случай… что само по себе не имеет объективного значения… Нет такой вещи, как пустое пространство, то есть пространство без поля». И наконец: «Пространство-время претендует не на самостоятельное существование, а на существование только в качестве структурной характеристики поля». Развивая идеи Аристотеля и Демокрита, Эйнштейн выдвинул общее положение о том, что не может быть пространства без материальных тел, и доказал, что не может быть пространства-времени без гравитационного поля.

Подобно магнитному полю, гравитационное поле – реальное, физическое явление, оно способно искривляться, растягиваться и принимать волнообразную форму. С другой стороны, оно имеет более фундаментальный характер, чем электромагнитное поле: последнему для существования требуется гравитационное поле, поскольку без гравитационного поля не может быть пространства-времени.

Расширение пространства

Прежде чем двигаться дальше, я хочу сказать еще одну вещь. Многочисленные неточности в понимании искривления пространства-времени становятся очевидными, когда физики начинают говорить о расширении Вселенной. Если пространство-время представляет собой единый статичный четырехмерный блок, какой смысл вкладывают физики в идею расширения? Как может расширяться нечто включающее в себя в виде неотъемлемого компонента время? В конце концов, слово «расширяться» подразумевает нечто изменяющееся во времени, но ведь оно содержит время в себе самом! Ответ прост: расширение пространства, которое мы наблюдаем через телескопы, не подразумевает одновременного растяжения координаты времени. Растягивается не пространство-время, а, скорее, три пространственных измерения, тогда как время движется вперед. Хотя пространство-время в каком-то смысле демократично, поскольку время представляет собой одно из четырех равноправных измерений, можно провести некоторые алгебраические операции с уравнениями теории общей относительности (представить их в несколько ином виде), так что все расстояния будут теперь умножаться на «масштабирующий коэффициент», который увеличивается по мере движения времени, причем расширяется только пространство.

Вспомним также, что такое расширение происходит только на необъятных просторах между галактиками, потому что внутри самих галактик гравитационное поле, которое удерживает эти галактики от распада, является достаточно сильным, чтобы сопротивляться вселенскому расширению. Галактики подобны изюминкам, находящимся внутри буханки выпекающегося хлеба. Буханка расширяется, а размер самих изюминок остается постоянным – только расстояние между ними увеличивается.

Представим, что в рамках блок-вселенной наше родное пространство-время помещено внутри такой «хлебной вселенной», в которой по мере нашего продвижения по оси времени от прошлого к будущему каждый следующий кусочек хлеба больше предыдущего. Находясь вне этого пространства-времени, вы бы просто увидели статичную буханку с увеличивающимися кусками. Однако, будучи внутри буханки (или внутри воображаемой изюминки внутри буханки), мы можем воспринимать только увеличивающиеся куски, так что нам кажется, что некая точка (например, далекая галактика) все более удаляется от нас по мере нашего продвижения от куска к куску.

Несмотря на эти непростые понятия, все, что я написал в этой главе о пространстве-времени, основано только на одном из трех столпов современной физики. Однако пространство согласно теории относительности является однородным и непрерывным. Если мы будем все более увеличивать масштаб, мы в конечном счете доберемся до второго столпа современной физики, квантовой механики, где нет четких границ и все подчинено случайности и неопределенности. Что же происходит с пространством и временем на этих мельчайших расстояниях и в крошечных временных периодах? Станет ли само пространство-время зернистым, подобно пикселям в изображении, увеличенном более разрешения? Скоро мы займемся этим вопросом.

Кроме того, с точки зрения блок-вселенной в теории относительности мы можем представить время как нечто статичное и неизменное, где прошлое, настоящее и будущее сосуществуют друг с другом как элементы четырехмерного пространства-времени. Однако третий столп физики, термодинамика, утверждает, что идея времени как «дополнительного измерения» не выдерживает критики. Термодинамика объясняет, как системы изменяются во времени; более того, она придает времени направленность, которая не предусмотрена в трехмерном пространстве. Независимо от нашего восприятия времени как текущего в одном направлении – мы помним прошлое, живем в настоящем и предвидим будущее – существует некая стрела времени (подробнее об этом – в главе 6), которая направлена из прошлого в будущее, и это разрушает правильную симметрию блок-вселенной.

Однако мы еще не готовы заниматься следующими двумя столпами физики. Сначала мы должны заполнить чем-то наше пространство-время, заполнить его материей и энергией. Идея Эйнштейна в том, что материя, энергия, пространство и время всегда сопутствуют друг другу. Что это значит, я попробую прояснить в следующей главе.

Глава 4. Энергия и материя

Общая теория относительности получила свое математическое воплощение в том, что известно как уравнение поля Эйнштейна (вообще-то, несколько уравнений, которые можно записать в компактной форме одной строкой). Но в уравнениях всегда две части, которые отделяются друг от друга знаком «=», а форма пространства-времени – это только половина уравнения. Теперь я хочу исследовать вторую часть.

Уравнение Эйнштейна отражает то, как гравитационное поле, или скорее форма пространства-времени, определяется материей и энергией. Часто говорят, что его уравнение поля показывает, как пространство-время искривляется материей и энергией и в то же время как материя и энергия ведут себя в искривленном пространстве.

Дело в том, что, с одной стороны, материя и энергия не могут существовать без чего-то, в чем можно существовать, а с другой – без материи и энергии не было бы никакого пространства-времени. Поэтому давайте рассмотрим, что мы знаем о «наполнении» Вселенной.

Энергия

Энергия – это одно из тех понятий, которые, как нам кажется, мы понимаем на уровне интуиции. Например, если мы голодны, устали или плохо себя чувствуем, мы говорим, что нам «не хватает энергии». Наоборот, если мы в хорошей форме и хорошо себя чувствуем, нам «хватает энергии», чтобы пойти в спортзал. Иногда этот термин используется в бытовом смысле в выражениях типа «в комнате ощущалась позитивная энергия» или «от него исходит отрицательная энергия». В физике понятие энергии используется в смысле способности выполнить работу. Таким образом, чем больше энергии, тем больше можно сделать – перенести материю с места на место, нагреть ее или просто накопить для дальнейшего использования. Понятие энергии широко используется в физике уже пару веков, с тех самых пор, как оно оказалось полезнее, чем более «ощутимое» на первый взгляд понятие силы – ведь мы можем почувствовать силу, но не всегда непосредственно ощущаем энергию, даже если она принимает форму тепла или света.

Тем не менее определение энергии как способности совершать работу не объединяет ее с понятием силы, поскольку, когда в физике используется термин «работа», обычно имеется в виду способность сдвинуть тело, преодолевая некую силу сопротивления. Например, мне нужна энергия, чтобы передвинуть тяжелый предмет мебели или чтобы поднять что-то над головой, преодолевая силу притяжения. Точно так же батарейке требуется энергия, чтобы «протолкнуть» электрический ток по цепи, преодолевая сопротивление материала, а тепловая энергия пара порождает давление, действующее на силовые турбины, которые преобразуют эту энергию в электричество. Последнюю можно использовать для механической работы или снова преобразовать ее в энергию света или тепла.

Энергия существует во многих ипостасях: кинетическая энергия движущегося тела; потенциальная энергия тела, находящегося в гравитационном поле; тепловая энергия горячего тела благодаря движению атомов внутри него. Но, хотя все это верно, мы еще не добрались до самой сути понятия энергии.

Давайте начнем с закона сохранения энергии: общее количество энергии во Вселенной неизменно. Он выводится, через теорему Нётер, из более фундаментальной идеи временной симметрии, гласящей, что все законы физики являются «инвариантами преобразования времени», откуда следует, что общая энергия физического процесса сохраняется во времени. Эта идея позволила предсказать существование новых элементарных частиц. Сохранение энергии также доказывает невозможность создания вечного двигателя, поскольку энергию нельзя постоянно получать из ничего.

С первого взгляда можно подумать, что говорить больше не о чем: вся энергия в системе (то есть во всей Вселенной) остается неизменной, хотя ее количество изменяется от одной Вселенной к другой. Однако в природе энергии есть нечто более глубокое, о чем я еще не упоминал. В самом общем смысле можно разделить ее на два вида: полезную энергию и бесполезную энергию, – и это разделение имеет глубочайшие последствия, связанные со стрелой времени. Мы знаем, что для нашей повседневной жизни – для работы транспорта и промышленности, для генерирования электричества, которое мы используем для освещения и обогрева наших домов, для питания приборов и всей домашней техники – для всего этого нужна энергия. Собственно говоря, энергия необходима просто для поддержания самой жизни.

Конечно, это не может длиться вечно. И что же, однажды эта полезная энергия иссякнет? Уменьшив масштаб, можно представить себе всю Вселенную в виде механических часов, которые постепенно замедляются. Но как же это возможно, если количество энергии всегда остается неизменным? Почему она не может циркулировать бесконечно – пусть даже меняя форму? Оказывается, что ответ кроется в статистике и теории вероятности и в том, что известно как второй закон термодинамики. Однако, если вы не против, я отложу этот разговор до главы 6. А сейчас давайте двинемся дальше – от энергии к материи.

Материя и масса

Когда мы говорим о природе материи, надо понимать, что такое масса. На самом элементарном уровне масса тела – это мера количества содержащегося в нем «вещества».

В обыденной жизни часто полагают, что масса тела – это то же, что его вес. Для земных условий это нормально, поскольку эти две величины пропорциональны друг другу. Однако в космосе у тела нет веса, но масса все же существует.

Но даже масса не всегда остается постоянной. Чем быстрее движется тело, тем больше увеличивается его масса. Такие вещи не преподают в школе, а Исаак Ньютон был бы этим поражен, потому что это – еще одно следствие природы пространства-времени с точки зрения специальной теории относительности Эйнштейна. Если вы задаете себе вопрос, почему мы не видим этого в реальной жизни, так это потому, что мы обычно не наблюдаем скоростей, близких к скорости света, когда этот эффект становится заметным. Например, тело, движущееся со скоростью 87 % скорости света, будет иметь массу, в два раза превышающую массу того же тела, но в покое. А масса тела, движущегося со скоростью 99,5 % скорости света, будет больше в десять раз. Но даже самая быстрая пуля летит со скоростью всего лишь 0,0004 % скорости света, а это означает, что мы не видим релятивистских эффектов или изменений в массе движущихся тел.

Увеличение массы тела по мере приближения его скорости к скорости света не означает, что оно становится больше по размеру или что увеличивается количество составляющих его атомов; скорее, это значит, что возрастает его импульс (его становится труднее остановить) по сравнению с тем, которого можно было ожидать, зная массу этого тела в состоянии покоя. Согласно механике Ньютона импульс тела – это произведение его массы на скорость, а значит, он увеличивается при росте скорости: если скорость тела возрастет в два раза, то же произойдет и с импульсом. Однако ньютоновская механика ничего не говорит об увеличении массы при движении тела. Специальная теория относительности дает нам иную (и более корректную), «релятивистскую» формулу импульса, которая не пропорциональна скорости тела. На самом деле при достижении телом скорости света его импульс становится бесконечным.

Все это помогает понять, почему никакое тело не может двигаться быстрее скорости света (это еще один вывод из специальной теории относительности). Подумайте, сколько энергии требуется, чтобы ускорить движение тела. При низкой скорости эта энергия по мере ускорения тела трансформируется в кинетическую (энергию движения). Однако по мере приближения к скорости света ускорять движение тела становится все труднее и все больше энергии, прилагаемой к телу, уходит на увеличение его массы. Это отражается в самой известной физической формуле E = mc^2, которая связывает массу (m) и энергию (E) (а также скорость света c в квадрате) и позволяет предположить, что эти две величины могут трансформироваться друг в друга. В каком-то смысле массу можно представить как застывшую энергию. А поскольку квадрат скорости света – огромная величина, небольшая масса может конвертироваться в значительное количество энергии или, наоборот, большое количество энергии застывает в виде совсем небольшой массы.

Таким образом, закон сохранения энергии скорее сводится к закону сохранения энергии и массы: все количество энергии и вся масса во Вселенной – величина, постоянная во времени. Нигде эта идея не видна так явно и не является столь важной, как в субатомном мире, где E = mc^2 привело к открытию ядерного распада и высвобождению ядерной энергии. И именно E = mc^2 лежит в основе полувековой истории ускорителей, в которых потоки субатомных частиц сталкиваются с выделением еще большей энергии, создавая при этом новую материю – новые частицы. Однако есть определенные правила относительно того, какого рода частицы можно получать из такой энергии, и некоторые из них мы рассмотрим в следующем разделе.

Строительные блоки материи

С того самого момента, когда около 100 лет назад Эрнест Резерфорд с помощью Ханса Гейгера и Эрнеста Марсдена впервые заглянул внутрь атома, когда он направил альфа-частицы на лист золота и наблюдал, как одни проникают сквозь лист, а другие отскакивают, физики поглощены идеей проникнуть поглубже в субатомный мир. Они впервые открыли структуру самих атомов – электронных облаков, окружающих крошечное плотное ядро. Затем они заглянули внутрь ядра и выяснили, что оно состоит из более мелких строительных блоков, протонов и нейтронов. И наконец, нырнув еще глубже, они открыли элементарные частицы – кварки, скрытые внутри протонов и нейтронов. Чтобы вы представили себе соответствующий масштаб, скажу: если бы атом удалось увеличить до размеров дома, то размер кварка внутри протона или нейтрона был бы равен крупице соли. Напомню, что атомы и сами по себе чрезвычайно малы: в одном стакане воды помещается больше атомов, чем количество стаканов воды во всем Мировом океане.

В школе мы узнаем об электромагнитной силе, существующей в форме электрического или магнитного отталкивания и притяжения, однако эта сила играет еще большую роль на более мелком, атомном уровне. Атомы связываются в разных сочетаниях, образуя при этом простые молекулы или сложные вещества, а в конечном счете – все разнообразные материалы, которые мы видим вокруг нас. Но то, каким образом осуществляются эти связи, зависит от организации электронов вокруг ядер, что составляет самую суть химии, и эти комбинации атомов, составляющие наш материальный мир, практически полностью обусловлены электромагнитными силами вокруг электронов. По сути, электромагнитная сила наряду с силой притяжения прямо или косвенно порождает почти все явления, которые мы наблюдаем в природе. В микроскопическом масштабе материалы существуют за счет электромагнитных сил, возникающих между атомами. А вот в космическом масштабе материя существует за счет гравитации.

Внутри атомного ядра мир совершенно иной. Поскольку ядра состоят из двух видов частиц, положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов (которые совокупно называются нуклонами), электромагнитное отталкивание должно приводить к распаду ядра; сила притяжения в этом ничтожном масштабе слишком мала, чтобы на что-то влиять. И все же элементы ядра плотно связаны друг с другом. Это происходит благодаря еще одной силе, которая, подобно клею, связывает не только протоны с нейтронами, но и протоны с протонами, хотя положительные заряды отталкиваются друг от друга. Она называется сильным ядерным взаимодействием и больше всего проявляется при взаимодействии еще более мелких частиц протонов и нейронов – кварков, которые связаны друг с другом «переносчиками сильного взаимодействия» – глюонами. Таким образом, кварки связаны друг с другом посредством обмена глюонами, но они взаимодействуют с электронами и через электромагнитное взаимодействие (поскольку и те и другие обладают зарядом) путем обмена протонами.

Квантовые законы, от которых зависит структура, форма и размеры атомных ядер, очень сложны, и я не буду здесь о них рассказывать. Однако в конечном счете именно взаимодействие электромагнитных сил отталкивания между положительно заряженными протонами и сил притяжения между всеми нуклонами внутри ядра (которые отражают остаточное «сильное взаимодействие» – внутреннего «глюонного» притяжения между кварками внутри нуклонов) и обеспечивает стабильность ядер, а значит, атомов и окружающей нас материи, включая нас самих.

Есть еще одна сила природы (из известных) – четвертая и последняя, которая также в основном ограничена пределами атомного ядра. Ее называют просто «слабым ядерным взаимодействием», а возникает она вследствие обмена бозонами W и Z между определенными частицами (точно так же, как кварки обмениваются глюонами, а электроны – протонами). Подобно сильному ядерному взаимодействию, эта слабая сила действует на очень коротком расстоянии; мы не можем непосредственно наблюдать ее воздействие. Между тем физические процессы, запускаемые этой силой, нам хорошо известны, ибо она заставляет протоны и нейтроны превращаться друг в друга, что, в свою очередь, приводит к бета-излучению – испусканию заряженных частиц из ядра. Бета-частицы бывают двух типов – электроны и их партнеры в антиматерии, позитроны, которые являются теми же электронами, но с противоположным зарядом. Весь процесс достаточно прост: если в ядре наблюдается дисбаланс между количеством протонов и нейтронов, что приводит к его нестабильности, то некоторое количество протонов или нейтронов преобразуется в свою противоположность, восстанавливая этот баланс. В таком процессе создается или испускается либо электрон, либо позитрон (что обеспечивает сохранение электрического заряда). Таким образом, ядро, обладающее слишком большим количеством нейтронов, подвергается бета-распаду, при котором нейтрон превращается в протон с испусканием электрона, причем отрицательный заряд последнего уравновешивает положительный заряд вновь образованного протона (поскольку первоначально существовавший нейтрон заряда не имеет). И наоборот, избыток протонов заставляет один из них превратиться в нейтрон плюс позитрон, который уносит положительный заряд протона, тем самым стабилизируя ядра.

Каждый из протонов и нейтронов содержит по три кварка, которые бывают двух типов (или ароматов), известных под незамысловатыми названиями «верхний» и «нижний». Эти два аромата связаны с разными долями электрического заряда. Протон содержит два верхних кварка, каждый с положительным зарядом, равным двум третям отрицательного заряда электрона, и один нижний кварк с отрицательным зарядом, который составляет одну треть электронного. В сумме они составляют +1, что соответствует положительному заряду протона. С другой стороны, нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего, так что его заряд равен нулю.

В целом существует шесть различных ароматов кварков, и у каждого – своя масса. Подобно верхнему и нижнему кваркам, которые составляют атомное ядро, остальные четыре получили совершенно произвольные наименования «странный», «прелесть», «топ» и «ботом». Эти кварки тяжелее, чем верхний и нижний, но существуют только мгновения. Наконец, кроме электрического заряда, кварки обладают еще одним свойством, которое называется цветовым зарядом и связано с сильным ядерным взаимодействием, оно помогает объяснить то, как кварки взаимодействуют друг с другом[16].

Электроны принадлежат к другому классу частиц, под названием лептоны, и их тоже шесть видов. Наряду с электронами, известны еще мюоны и тау (недолговечные тяжелые «кузены» электронов) и три вида нейтрино (очень легкие, почти неуловимые частицы, образующиеся в процессе бета-распада). Лептоны не воспринимают сильного ядерного взаимодействия и не несут цветного заряда.

Теперь подытожим. Согласно современным воззрениям, стандартная модель физики частиц говорит нам, что существует два вида частиц: материальные (фермионы), которые включают в себя шесть ароматов кварков и шесть – лептонов, и частицы – переносчики силы (бозоны), которые включают в себя фотоны и глюоны, W и Z, и, конечно, бозон Хиггса, о котором мы поговорим позже.

Если все эти рассуждения звучат слишком сложно, то вам будет приятно услышать, что в большинстве жизненных ситуаций их можно не учитывать. Все, что вы видите, – вся материя, из которой состоит наш мир, включая наши тела, все, что мы видим в космосе, – Солнце, Луна и звезды – состоит из атомов, а атомы, в свою очередь, только из двух видов частиц – кварков и лептонов. На самом деле атомы состоят только из кварков двух видов (верхних и нижних) плюс один вид лептонов (электрон). Вот и все. Если иметь это в виду, то основные строительные блоки материи даже менее сложны, чем четыре стихии древних греков.

Краткая история материи и энергии

Так как же вообще возникла вся материя? Чтобы это понять, нужно снова уменьшить масштаб и обратиться к исследованию космоса в самом широком плане.

Уже более века мы знаем, что наша Вселенная расширяется. Астрономы наблюдали, как свет далеких галактик смещается к красному концу электромагнитного спектра, свидетельствуя о том, что эти галактики удаляются от нас. По сути, чем дальше они от нас, чем больше смещение их света к красному концу спектра, тем быстрее они должны удаляться. Однако, наблюдая, как галактики разбегаются в разных направлениях, нельзя считать, что мы находимся в привилегированном положении в центре Вселенной. Это скорее означает, что все галактики удаляются друг от друга, поскольку пространство между ними увеличивается. Обратите внимание, что это расширение не касается пространства внутри галактических кластеров, таких как наша собственная группа, включающая Млечный Путь, Андромеду и ряд более мелких галактик, которые расположены достаточно близко друг от друга, чтобы ощущать силу притяжения и сопротивляться такому расширению.

Но какое отношение, спросите вы, расширение Вселенной имеет к происхождению материи и энергии? Что ж, это расширение является одним из самых убедительных доказательств в пользу теории Большого взрыва – того момента за 13,82 миллиарда лет до нас, когда в условиях невероятно высокой температуры и плотности произошел акт рождения нашей части Вселенной. Проще говоря, если Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, расширяется, а галактики разлетаются в разные стороны, то в прошлом все эти части должны были быть гораздо ближе друг к другу. В какой-то момент времени, если мы углубимся в далекое прошлое, вся материя, а также пространство вокруг нее были, видимо, сжаты в единое целое. Поэтому во всей Вселенной нет такого места, куда мы могли бы полететь, установить флаг и сказать, что здесь и произошел Большой взрыв. Большой взрыв произошел в любой точке Вселенной. И чтобы уж совсем сбить вас с толку, скажу: если Вселенная сейчас не имеет границ (что вполне вероятно), она должна быть безграничной и в момент Большого взрыва (поскольку нельзя расширить нечто конечное и сделать его бесконечным – если только в вашем распоряжении нет бесконечного времени). То, что Большой взрыв произошел всюду в бесконечной Вселенной, а не в каком-то определенном «месте», – это концепция, которую очень важно понять.

Более современный и концептуально более логичный подход к этой идее состоит в том, что Большой взрыв, о котором мы говорим, – событие локального масштаба. Он дал начало только той части Вселенной, которую мы можем разглядеть, тогда как во Вселенной есть и другие области, которые мы не можем увидеть, и там произошли свои Большие взрывы. Это один из способов, объясняющих идею множества вселенных, к которой я обращусь в главе 8.

Есть еще много доказательств в пользу теории Большого взрыва – например, обилие легких элементов. Около одной трети массы всей материи, которую мы наблюдаем во Вселенной, состоит из водорода, а одна четверть – из гелия (следующего за водородом по атомной массе)[17].Только ничтожная доля приходится на все остальные элементы, и большая их часть образовалась в звездах гораздо позже Большого взрыва. Преобладание во Вселенной водорода и гелия предсказано Большим взрывом, и именно это мы наблюдаем. И как удачно, что для доказательства этого нам не нужно путешествовать по всей Вселенной. Свет, который мы видим в телескоп, содержит красноречивые свидетельства о далеких атомах, которые его породили, или тех, через которые он прошел на своем пути к Земле. И это одно из самых прекрасных научных достижений – что мы можем узнать, из чего состоит Вселенная, просто изучая свет, доходящий до нас из космоса.

Другой факт в пользу теории Большого взрыва – открытие 1964 года, которое окончательно подтвердило ее истинность, – существование так называемого космического сверхвысокочастотного фонового излучения. Это реликтовое излучение, которое заполняет весь космос, возникло вскоре после Большого взрыва, когда впервые сформировались нейтральные атомы. Этот период истории Вселенной называется эрой рекомбинации. Это случилось через 378 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная уже расширилась и достаточно охладилась для того, чтобы положительно заряженные протоны и альфа-частицы[18] могли захватывать электроны и образовывать атомы водорода и гелия. До того электроны, вероятно, обладали слишком большой энергией, чтобы прикрепляться к протонам или альфа-частицам. А значит, фотоны (частицы света) не могли свободно передвигаться, не сталкиваясь при этом с этими заряженными частицами и не взаимодействуя с ними, так что во всем космосе появилось тусклое свечение. Но когда Вселенная охладилась достаточно, чтобы могли образовываться атомы, космос стал прозрачным и фотоны получили свободу. И с тех пор это свечение расходилось в разные стороны по всей Вселенной.

Этот реликтовый свет по мере расширения Вселенной терял свою энергию, но не за счет замедления, поскольку скорость света всегда постоянна. По мере расширения пространства растягивалась длина световой волны, так что сегодня, через миллиарды лет, этот свет уже находится не в видимой части спектра, а на сверхвысокочастотных волнах. Астрономы измерили это излучение и обнаружили, что оно соответствует температуре далекого космоса, чуть менее трех градусов выше абсолютного нуля. Это значение близко к прогнозам, основанным на теории Большого взрыва, – их, между прочим, сделали еще до проведения температурных измерений.

Но давайте вернемся в еще более давние времена существования нашей Вселенной, когда атомов еще не было. Она начиналась с фантастически раскаленного пузыря энергии, который за одну триллионную долю секунды охладился до такой температуры, что за счет конденсации энергии по мере расширения пространства смогли сформироваться субатомные частицы, кварки и глюоны. Сначала эти частицы обладали огромной энергией и безудержно носились в горячем «бульоне», называемом кварк-глюонной плазмой, при температуре триллионы градусов Цельсия. Затем, когда Вселенная просуществовала какую-нибудь миллионную долю секунды, они начали слипаться, образуя протоны и нейтроны (наряду с другими, более тяжелыми частицами). Далее, в эти первые секунды своего существования материя прошла через различные стадии эволюции, когда образовывались и исчезали самые разные частицы. Именно здесь мы сталкиваемся с одним из важнейших вопросов физики, на который у нас еще нет ответа, – с тайной исчезнувшей антиматерии.

Через несколько лет после того, как в 1928 году существование антиматерии предсказал Поль Дирак, Карл Андерсон открыл ее наличие в космических лучах: это высокоэнергетические космические частицы, которые сталкиваются преимущественно с молекулами кислорода и азота в верхних слоях земной атмосферы, образуя дождь вторичных частиц, включающий античастицу электрона – позитрон. Теперь мы знаем, что все элементарные частицы (фермионы) имеют зеркальных партнеров в антиматерии[19].Когда электрон приходит в контакт с позитроном, они полностью аннигилируют друг друга, а их массы объединяются и трансформируются в чистую энергию в соответствии с формулой E = mc^2.

В самых мельчайших микромирах также постоянно происходит процесс, обратный этой аннигиляции. Если бы мы могли увеличить квантовый мир, мы бы увидели, как разные частицы и их античастицы то возникают, то исчезают в процессе беспрерывного обмена между материей и энергией. Так, фотон, который представляет собой не более чем сгусток электромагнитной энергии, может трансформироваться в электрон или позитрон. Этот процесс известен как «создание пар». Но в реликтовой, плотной Вселенной, когда частицы и античастицы то появлялись, то исчезали, материя по какой-то причине начала преобладать над энергией. На это указывает тот факт, что мы вообще существуем. Нам еще предстоит понять, что случилось с «исчезнувшей антиматерией», которая, к счастью для нас, породила избыток материи, наблюдаемый нами сегодня.

Через несколько минут после Большого взрыва создались нужные условия для того, чтобы протоны (ядра водорода) и нейтроны слились, образуя гелий плюс крошечное количество элемента номер три, лития. Но по мере того, как Вселенная продолжала расширяться, температура и давление упали ниже того порога, когда из более легких частиц могли формироваться более тяжелые. Так случилось потому, что для термоядерной реакции сливающиеся ядра должны обладать достаточной энергией, чтобы преодолеть силу взаимного отталкивания своих положительных зарядов, однако ниже определенной плотности и температуры это уже не происходит.

Немного позже, после эры рекомбинаций, атомы начали слипаться под воздействием притяжения – пока я воздержусь от разговора о важнейшей роли, которую играет черная материя, об этом мы поговорим в главе 8 – и начали формироваться реликтовые газовые облака (протогалактики), а более плотные сгустки внутри этих облаков все сильнее сжимались из-за притяжения, пока они не нагревались до такой температуры, при которой термоядерная реакция возобновлялась. Зажигались новые звезды, и термоядерные реакции, происходящие в них, приводили к образованию новых элементов: углерода, кислорода, азота, а также других, которые сейчас есть на Земле.

Большая часть звезд первого поколения во Вселенной уже не существует, поскольку они давно взорвались как сверхновая, выбросив в космос большую часть своего содержимого и оставив сжатую материю в виде нейтронных звезд или черных дыр. Более тяжелые элементы – то есть все элементы периодической системы, кроме железа, – образуются только благодаря таким бурным событиям, как слияния новых, сверхновых и нейтронных звезд. Чем выше температура и чем экстремальнее условия в звезде, тем глубже процесс ядерного синтеза и тем более тяжелые элементы смогут образоваться – серебро, золото, свинец или уран. Это объясняется тем, что температура и плотность внутри звезды, необходимые для образования тяжелых элементов, достигаются в этот последний, драматический момент жизни звезды, когда она подвергается сильнейшему сжатию и при этом интенсивно сбрасывает внешние слои.

Материя, извергаемая при взрыве звезды, смешивается с межзвездным газом и может снова собираться в сгустки, образуя звезды следующего поколения. Тот факт, что на Земле есть такие тяжелые элементы, подтверждает, что наше Солнце является звездой по крайней мере второго поколения. Вот почему, как вы, наверное, слышали, иногда говорят, что мы буквально состоим из звездной пыли, поскольку многие атомы нашего тела сформировались именно внутри звезд.

Теперь, когда, как я надеюсь, я дал вам некоторое представление о том, как была образована материя во Вселенной, а также о тесных взаимосвязях между материей и энергией, пространством и временем, мы готовы окунуться в микрокосм, в мир совсем малого, который нельзя описать в терминах общей теории относительности. Пора исследовать квантовую механику, которая считается вторым столпом физики.

Глава 5. Квантовый мир

В 1799 году Джозеф Бэнкс, президент Королевского общества в Лондоне, основал новое учреждение, Королевский институт Великобритании, имевший целью внедрение «полезных механических изобретений и усовершенствований», а также «чтение [широкой публике] курсов философских наук и экспериментов». С тех самых пор институт организует открытые лекции и мероприятия, в том числе Пятничные вечерние дискуссии в лекционном театре Фарадея, которые являются неотъемлемой частью его программы со времени их учреждения самим Майклом Фарадеем в 1826 году. Я имел честь читать две такие лекции, на последней, в 2013 году, я рассказывал как раз о квантовой механике.

Квантовую механику совершенно справедливо считают самой увлекательной и одновременно самой запутанной и непонятной научной теорией, порожденной человеческим разумом. На лекции в Королевском институте я обсуждал знаменитый «эксперимент с двумя щелями», который американский физик Ричард Фейнман назвал «главной тайной квантовой механики». Я описал, насколько поразительны оказались результаты этого эксперимента: субатомные частицы, которые одна за другой направляли на экран с двумя узкими щелями, вели себя так, как будто каждая проходила сквозь обе щели одновременно, и на втором экране возникала картина интерференции. Затем я бросил публике вызов: если кто-то может предложить логическое объяснение причин этого явления, им следует связаться со мной, ибо они, безусловно, достойны получения Нобелевской премии.

Я высказал это шутливое предложение, поскольку хорошо знал, что пока никто никогда не мог предложить простое объяснение этого классического эксперимента, несмотря на многолетние споры и хитроумные опыты, которые заставили физиков признать, что у этого явления нет простого, логического объяснения. Материя в квантовом мире ведет себя таким образом, и нам остается только это принять. Кроме того, когда я бросил аудитории этот вызов, я считал, что обращаюсь только к той паре сотен человек, которые сидели в зале в тот пятничный вечер. Однако Королевский институт публикует большую часть своих образовательных материалов в интернете, что произошло и с моей лекцией. С тех пор я получил уже сотни писем от ученых-самоучек со всего мира, где они утверждают, что раскрыли эту тайну, а физики до них просто забыли учесть тот или иной аспект или механизм.

Раньше я им отвечал, но, признаюсь, бросил это дело. Так что позвольте мне здесь загладить свою вину перед теми, кто продолжает биться над тайнами квантовой механики, и описать некоторые важнейшие ее особенности, не поддающиеся интуитивному пониманию. В этой главе мы бегло рассмотрим то, что этот второй столп современной физики говорит нам о микрокосме. Поскольку моя научная деятельность, которой пошел уже четвертый десяток лет, связана с изучением квантовой механики и ее применением сначала в ядерной физике, а затем в молекулярной биологии, вас не должно удивить, что я считаю ее самой мощной и важной теорией в науке вообще. В конце концов, именно на ее основе в большой степени строятся современные физика и химия, и она произвела революцию в нашем понимании того, как из мельчайших строительных блоков создается весь наш мир.

Азбука квантовой механики

К концу XIX века статус физики, как тогда казалось, окончательно определился. Уже были открыты механика Ньютона, электромагнетизм и термодинамика (о которой я расскажу в главе 6), и стало ясно, что все эти три области в совокупности прекрасно объясняют движение и поведение предметов обычного размера и практически все явления, которые мы наблюдаем вокруг, от пушечного ядра до часов, от грозы до паровоза, от магнита до мотора, от маятника до планет. Изучением всех этих объектов в совокупности занимается так называемая классическая физика, и это то, что нам в основном до сих пор преподают в школе. Однако классическая физика, как бы она ни была хороша, не дает нам полной картины. Когда ученые обратили внимание на микроскопические составляющие материи, атомы и молекулы, они открыли новые явления, которые не удавалось объяснить с помощью известной им физики. Казалось, что законы и уравнения, которыми они привыкли пользоваться, больше не работают. Физике предстояло испытать тектонический сдвиг.

Первый крупный теоретический прорыв осуществил немецкий физик Макс Планк, предложив концепцию кванта. В своей лекции в декабре 1900 года он выдвинул революционную идею о том, что тепловая энергия, излучаемая нагретым телом, связана с частотой вибрации его атомов и, соответственно, эта энергия носит скорее прерывистый, чем непрерывный характер и испускается в виде дискретных порций, которые получили название квантов. Через несколько лет Эйнштейн предположил, что дискретный характер носит не только излучение Планка; электромагнитное излучение, включая свет, тоже существует в виде квантов. Теперь мы называем единичные кванты света – частицы световой энергии – фотонами.

Предположение Эйнштейна о квантовой природе света было не просто догадкой. Оно позволило объяснить одну из величайших научных тайн того времени под названием «фотоэлектрический эффект» – явление, когда свет при попадании на металлическую поверхность может выбивать электроны из атомов металла. Этот эффект не удалось бы объяснить, если бы свет имел волновую природу; в этом случае увеличение интенсивности света (или его яркости) приводило бы к увеличению его энергии и мы могли бы ожидать, что выбиваемые из металла электроны вылетали бы с большей скоростью. Однако это не так. Их просто вылетает больше. Но если энергия света пропорциональна его интенсивности, как это предполагал Эйнштейн, то увеличение его частоты (например, переход от видимого к невидимому спектру) придает выбиваемым электронам больше энергии. И наоборот, сохраняя частоту (цвет) света и увеличивая его яркость, мы только увеличим число фотонов, а также число выбиваемых электронов. Именно это и наблюдается в экспериментах, и тут идея Эйнштейна пришлась совершенно впору.

И все же и тогда и теперь многие данные говорят о том, что свет скорее представляет собой волны, а не поток частиц. Так где же истина? Свет – это волна и частица? Ответ, который, как это ни удивительно, противоречит всякой интуиции и логическим соображениям, таков: свет может вести себя то так, то этак, в зависимости от того, как мы на него смотрим и какого рода эксперименты ставим.

А ведь такую шизофреническую природу имеет не только свет. Частицы материи, например электроны, тоже могут проявлять волновую природу. Это общее понятие, которое уже более 100 лет подвергается всяческому тестированию и проверке, известно как корпускулярно-волновой дуализм и является одной из центральных идей квантовой механики. Это не означает, что электрон в один и тот же момент времени является частицей и волной. Если мы поставим эксперимент с целью подтверждения корпускулярной природы электронов, то обнаружится, что они себя так и ведут. Но если мы затем поставим другой эксперимент: проверить, не обладают ли электроны волновыми свойствами (такими как дифракция, рефракция или волновая интерференция), то увидим, что они ведут себя как волны. Дело только в том, что мы не можем осуществить эксперимент, который продемонстрировал бы корпускулярные и волновые свойства электронов одновременно. Здесь абсолютно необходимо подчеркнуть, что, хотя квантовая механика позволяет довольно точно предсказать исход таких экспериментов, она не говорит нам самого главного: что же представляет собой электрон. Она позволяет нам только описать то, что мы видим, когда ставим определенный эксперимент для его исследования. Единственная причина того, что физики больше не сходят с ума от этой двойственности, – это то, что мы научились с этим жить. Этот баланс между тем, сколько мы можем одновременно знать о корпускулярной природе частицы (ее положении в пространстве) и ее волновой природе (с какой скоростью она движется), регулируется принципом неопределенности Гейзенберга, который считается одной из важнейших научных идей, лежащей в основе квантовой механики.

Принцип неопределенности налагает ограничения на то, что можно наблюдать и измерить, однако многие люди, даже некоторые физики, склонны неверно понимать этот принцип. Несмотря на то что вы прочитаете в учебниках физики, формально квантовая механика нигде не утверждает, что электрон не может иметь одновременно определенное положение и определенную скорость, она лишь говорит, что мы не можем знать оба параметра одновременно. Связанная с этим распространенная ошибка заключается в том, что человеку в квантовой механике якобы принадлежит какая-то особая роль: наше сознание может влиять на квантовый мир или даже порождать его при попытках провести в нем какие-то измерения. Это ерунда. Наша Вселенная, вплоть до самых элементарных строительных блоков на квантовом уровне, существовала задолго до возникновения Земли – она не пребывала в некоем неопределенном состоянии летаргического сна в ожидании того момента, когда наконец явимся мы, измерим ее и превратим ее в реальность.

К середине 20-х годов физики начали понимать, что концепция квантизации носит более общий характер, чем просто противопоставление «комковатости» и «волнистости» материи. Многие физические свойства, которые мы всегда считали непрерывными, на самом деле дискретны (то есть имеют скорее цифровую, чем аналоговую природу), что становится ясно, как только вы увеличиваете масштаб до субатомного. Например, электроны, связанные друг с другом внутри атома, «квантизируются» в том смысле, что они могут обладать только определенным количеством энергии и никогда не будут обладать энергией, объем которой попадает между значениями этих дискретных величин. Не обладай электроны таким свойством, они бы беспрерывно теряли энергию при движении[20], что означало бы дестабилизацию атомов. А в этом случае сложная материя, включая жизнь, не существовала бы. Согласно электромагнитной теории XIX века (доквантовой эпохи) отрицательно заряженные электроны должны двигаться по спирали по направлению к положительно заряженному ядру атома. Но этому препятствует квантизированные энергетические уровни. Специальные квантовые законы также определяют, какие энергетические состояния занимают электроны и как они располагаются вокруг ядра. По сути, законы квантовой механики регулируют то, как атомы могут связываться друг с другом, образуя молекулы, что делает квантовую механику основой химии.

Электроны могут перескакивать с одного энергетического уровня на другой, испуская или поглощая соответствующее количество энергии. Испустив квант электромагнитной энергии (фотон), в точности равный разности энергий между двумя состояниями, они могут опуститься на более низкий уровень. Точно так же, поглотив фотон с соответствующей энергией, они могут подняться на более высокий уровень.

Итак, субмикроскопический мир, в масштабе атомов и мельче, ведет себя совсем по-иному, нежели мир, который мы наблюдаем невооруженным глазом. Когда мы описываем динамику чего-то вроде маятника или теннисного мячика, велосипеда или планеты, мы имеем дело с системами, состоящими из триллионов атомов, которые очень далеки от квантового мира. Это позволяет нам изучать то, как ведут себя эти предметы, в терминах классической механики и ньютоновских уравнений движения, решение которых дает нам данные о точном местоположении предмета, энергии или движении, причем все эти данные можно получить одновременно для каждого момента времени.

Но если мы хотим исследовать материю в квантовых масштабах, придется пренебречь механикой Ньютона и пользоваться совершенно иным математическим аппаратом квантовой механики. В общем случае нам пришлось бы решить уравнение Шредингера и рассчитать величину, называемую волновой функцией, которая характеризует не то, каким образом отдельная частица движется по определенной траектории, а то, как развивается во времени соответствующее квантовое состояние. Волновая функция может характеризовать состояние отдельной частицы или группы частиц, которое дает нам возможность, например, найти электрон с определенным набором свойств или местоположением в пространстве, если бы нам надо было это свойство измерить.

Часто ошибочно считают, что, поскольку волновая функция имеет одно значение более чем в одной точке пространства, сам электрон в те моменты, когда мы не замеряем его параметры, физически «размазан» в пространстве. Однако квантовая механика не говорит нам о том, чем занимается электрон, когда мы на него не смотрим, – она говорит только о том, чего можно ожидать, когда мы на него наконец посмотрим. Если это утверждение вас не вдохновляет, то в этом вы не одиноки. Оно и не имеет целью вдохновить вас (или наоборот); это просто утверждение, которое среди физиков, по счастью, не вызывает разногласий.

Существует множество различных способов понимания явлений квантового мира. Они известны как интерпретации квантовой механики, а споры между защитниками различных взглядов не утихают все время и вряд ли когда-нибудь угаснут.

Что все это значит

Несмотря на потрясающие достижения квантовой механики, если немного внимательнее взглянуть на то, что мы узнаем о микрокосме, можно легко сойти с ума. Мы спрашиваем себя: «Ну как же так? Может, что-то до меня просто не доходит?» По правде говоря, никто этого наверняка не знает. Мы даже не знаем, может ли еще что-то до нас «дойти». Физики обычно употребляют для описания квантового мира термины вроде «странный», «причудливый» или «контринтуитивный». Ибо, несмотря на то что сама теория поразительно точна и логична с математической точки зрения, все ее численные величины, символы и прогностическая сила – всего лишь фасад, за которым скрывается реальность, и с ней нам чрезвычайно трудно согласовать наш опыт и здравый взгляд на окружающий мир.

Однако из этого тупика есть выход. Поскольку квантовая механика так замечательно объясняет субатомный мир и поскольку она построена на таком совершенном и мощном математическом основании, оказывается, что мы вполне можем с ней справиться, если узнаем, как пользоваться ее правилами в прогностических целях и использовать этот мир для разработки новых технологий, пусть даже философы в отчаянии заламывают руки и неодобрительно качают головами. В конце концов, ноутбук, на котором я сейчас печатаю этот текст, не появился бы на свет, если бы на основе квантовой механики не возникла современная электроника. Но когда мы посмотрим на вещи с прагматической точки зрения, придется принять, что сами мы становимся не более чем элементом квантовой механики – практиками и лаборантами, которые не обращают внимания на то, как и почему квантовый мир ведет себя таким образом, а просто принимают его как есть и двигаются дальше. А я всеми фибрами своей души чувствую, что для физиков это должно быть по-другому. Разве их главной задачей не является объяснение мира? Квантовая механика без интерпретации уравнений и символов является просто математическим аппаратом, который позволяет рассчитать и прогнозировать результаты экспериментов. Этого недостаточно. Физика должна показывать, как результаты опытов объясняют реальный мир.

Многие физики могут не согласиться с этим утверждением, как, собственно, и один из величайших мыслителей в истории науки, отец квантовой механики Нильс Бор. Он обладал таким влиянием, что сейчас, когда я это пишу, я не могу не чувствовать некоторой вины из-за несогласия с одним из тех, перед кем я всегда преклонялся. И все же я не готов отказаться от своих убеждений. Несомненно, философские взгляды Бора определили то, как несколько поколений физиков относятся к квантовой механике; одновременно, по мнению многих, они в чем-то препятствовали и замедляли прогресс в этой области. Бор утверждал, что физика должна заниматься не познанием сути явлений природы, а только тем, что можно сказать об этих явлениях, об «аспектах нашего существования». Эти два противоположных взгляда, онтологический и эпистемологический, оба могут быть правильными: то, что физики говорят о сути явлений природы даже в квантовом масштабе, должно соответствовать тому, что эта природа собой представляет, или быть максимально приближенным. В конечном счете я всегда выступаю на стороне «реалистов», хотя иногда меня гложут серьезные сомнения.

С другой стороны, нас подстерегает опасность направить все наше внимание на странность квантовой механики и проглядеть ее мощный потенциал в качестве научной теории. Ибо такое внимание привлекает шарлатанов, как яркий свет – мотыльков. Самые неожиданные на первый взгляд предположения и теории, сделанные на основе данных квантовой механики, – например, идея запутанности, когда отдельные частицы мгновенно объединяются в пространстве, – в течение многих лет представляли собой источник для всякого рода псевдонаучной чепухи, начиная с телепатии и заканчивая гомеопатией. Целые поколения физиков воспитывались на прагматической догме Бора, извечной, как сама Копенгагенская школа квантовой механики (она названа в честь города, где расположен знаменитый Институт теоретической физики Нильса Бора). Именно здесь в середине 1920-х годов были разработаны математические основы этой теории – что отчасти связано с попыткой избежать философских рассуждений, перетекающих в разный постмодернистский вздор.

Как и всем, кто изучал физику в одно время со мной, квантовую механику начинали преподавать с введения в историю развития этой теории и работ Планка, Эйнштейна, Бора и прочих. Но я очень быстро перешел к изучению математического аппарата (инструментария), который был необходим для разработки теории. Одновременно мне пришлось постичь кучу понятий, названных в честь их отцов-основателей: правило Бора, уравнение Шредингера, принцип неопределенности Гейзенберга, принцип запрета Паули, нотацию Дирака, диаграммы Фейнмана… список можно продолжать. И хотя, если мы хотим понять квантовый мир, все это достаточно важно, не менее важно и то, чего мы не изучали, – то, о чем эти великие физики всю свою жизнь вели споры и философские дебаты, да так и не решили.

Трудности понимания квантовой механики во многом завязаны на так называемой «проблеме измерения». Почему же, когда мы осуществляем измерения, этот эфемерный квантовый мир вдруг оказывается в фокусе? Где пролегает граница между квантовым и классическим миром – между тем, что само по себе не обладает четкими характеристиками, и тем, что мы можем увидеть и измерить? Многие отцы-основатели, включая Нильса Бора, Вернера Гейзенберга и Вольфганга Паули, считали, что задумываться на эту тему нет смысла, и придерживались принципов Копенгагенской школы, о которой я писал выше. Они удовлетворились тем, что разделили мир на квантовый и классический, не оговаривая, как при проведении измерений один мир способен перетекать в другой. Они считали, что квантовая механика и так работает, и этого достаточно. Но такой позитивистский подход может помешать прогрессу науки. Хотя он помогает нам лучше понять некоторые явления и даже разрабатывать новые технологии, он не дает настоящего понимания[21].

История науки изобилует подходами такого рода. Один из наглядных примеров – древняя космология. В течение двух тысячелетий, со времен античности до зарождения современной науки, почти повсеместно была распространена геоцентрическая модель Вселенной, согласно которой Земля является центром космоса, а Солнце со всеми другими планетами и звездами вращается вокруг нее. Защитник позитивистского подхода в те времена сказал бы, что, поскольку эта модель позволяет хорошо предсказывать движение небесных тел, не нужно искать альтернативных объяснений, как и почему они движутся по небу так, как мы это наблюдаем. Действительно, было время, когда геоцентрическая модель казалась более точной для объяснения астрономических явлений, чем правильная и гораздо более простая гелиоцентрическая модель Коперника. Но интерпретация теории определенным образом, связанная только с тем, что в этом виде «она работает», – это интеллектуальная леность, что, безусловно, не соответствует сути физики. То же должно относиться и к квантовой механике. Известный квантовый физик Джон Белл как-то сказал, что цель физики – понять мир и «видеть цель квантовой механики в том, чтобы служить подпоркой для лабораторных экспериментов – значит, предать саму суть этой науки».

К сожалению, даже сегодня слишком много физиков этого не понимают; это еще один аргумент в пользу того, что философия – не просто переливание из пустого в порожнее, она способствует продвижению науки. Если бы вам пришлось проводить опрос физиков, занимающихся квантовой механикой (по крайней мере тех, кто к ней неравнодушен), вы бы обнаружили, что в большинстве своем они все еще придерживаются принципов Копенгагенской школы. Однако все чаще ученые отмечают в таком подходе отрицание значимости физики и готовы поддерживать иные взгляды, например такие экзотические идеи, как теория множества вселенных, скрытых переменных, динамического коллапса, последовательных историй, квантового байесианства или реляционной квантовой механики – и это еще не полный список. Никто не знает, какой из этих способов описания действительности верен в квантовом масштабе. Все они работают, все до сих пор давали одни и те же прогнозы относительно результатов экспериментов и наблюдений[22],и все они имеют одну и ту же математическую основу. Иногда сторонники этих теорий относятся к ним как к идеологическим догмам, почти как к религии, и в этом случае наука замирает на мертвой точке.

И все же в попытках понять квантовый мир намечается хоть и медленный, но прогресс. Экспериментальные методики становятся все изощреннее, а некоторые теории отбрасываются вообще. Есть надежда, что однажды мы познаем, как Природа колдует над своим квантовым волшебством. Если вам это кажется разумным, то многие физики с вами не согласятся. Позитивисты утверждают, что наука есть не более чем инструмент для прогнозирования исхода экспериментов, а тем, кто хочет знать, что именно квантовая механика сообщает нам о действительности, и разглядеть смысл в соответствующем математическом аппарате, лучше заниматься не физикой, а философией. По правде говоря, не все сторонники позитивистского копенгагенского подхода пренебрегают попытками взглянуть на проблему поглубже. В начале 2000-х годов появилась новая антиреалистическая интерпретация под названием «квантовое байесианство» (или «кубизм»), сторонники которого считают реальность совершенно субъективным, иногда даже личным опытом. Критики приравнивают эту интерпретацию к солипсизму.

Выбор интерпретации квантовой механики не должен сводиться к вопросу о философских предпочтениях. Тот факт, что все они дают одинаковые прогнозы о состоянии мира, не означает, что все они эквивалентны друг другу или что можно выбрать любую, повинуясь собственному капризу. Объяснение определенного аспекта действительности посредством физики – двухступенчатый процесс. Во-первых, мы должны найти соответствующую математическую теорию, которая может оказаться верной или неверной. Допустим, мы считаем ее верной – как, например, эйнштейновское уравнение поля в теории общей относительности или уравнение Шредингера в квантовой механике. Во-вторых, нам понадобится метод интерпретации или объяснения того, что значит эта математика. Без этого нам не удастся объединить символы и уравнения с физической Вселенной, как бы они нам ни нравились с эстетической точки зрения. И эта правильная интерпретация столь же важна, как правильная математическая теория.

Разные интерпретации квантовой механики рисуют весьма различные картины реальности: либо существуют параллельные вселенные (теория множества вселенных), либо нет; либо существует нелокальное квантовое поле (теория скрытых переменных), либо нет. Природе наплевать на наши мелкие свары по поводу квантовой механики – она существует независимо от наших представлений о ней. Если у нас есть проблема с согласованием взглядов по поводу поведения квантового мира, то это наша проблема. Так считал Эйнштейн. Он тоже был реалистом. Он полагал, что физика должна описывать, каков мир на самом деле, и, если существует больше одного описания, которое соответствует математике квантовой механики, нам нельзя успокаиваться на достигнутом. Похоже, что в этом отношении я попал в хорошую компанию.

Запутанность, измерение и декогерентность

Но даже Эйнштейн иногда ошибался. Одно из самых интересных и необъяснимых предположений, сделанных на основании квантовой механики, – идея запутанности. В квантовом мире две и более частицы могут мгновенно создать связь в пространстве, бросая тем самым настоящий вызов логике. Терминологически это явление известно как нелокальность, и ее можно образно объяснить так: то, что происходит «здесь», может мгновенно повлиять на то, что происходит «там». Мы говорим, что две частицы описываются одним и тем же «квантовым состоянием», одной волновой функцией. Эйнштейн всегда ощущал некоторую неловкость по поводу нелокальности и запутанности, называя их «подозрительным воздействием на расстоянии», и отказывался признать, что какое-либо взаимодействие между субатомными частицами способно перемещаться быстрее скорости света, поскольку это противоречило бы специальной теории относительности. Однако такая взаимосвязь может, в принципе, возникать даже между частицами на противоположных концах Вселенной. Пионеры квантовой науки доказали, что явление запутанности естественным образом вытекает из их формул, а эксперименты 1970–1980-х годов подтвердили, что Эйнштейн был не прав: теперь мы эмпирически установили, что квантовые частицы могут образовывать мгновенные связи, находясь далеко друг от друга в пространстве. На самом деле наша Вселенная нелокальна.

Сегодня многие ученые, работающие в таких областях, как квантовая оптика, квантовая информационная теория и даже квантовая гравитация, видят глубокую связь между запутанностью и главной проблемой квантовой механики – проведением измерений. Сначала мы должны признать, что квантовая система – скажем, атом – на самом деле является частью окружающего ее мира, так что рассматривать ее отдельно, строго говоря, будет неверно. Мы должны учесть в наших вычислениях воздействие окружающей среды. Такая открытая квантовая система ставит перед нами гораздо более сложную проблему, но в тоже время она дает нам возможность продвинуться вперед в понимании того, что значит проводить измерения в квантовой системе за пределами того, что Нильс Бор назвал «необратимым актом», имея в виду, что квантовая «размытость» кристаллизуется в реальность при проведении измерений.

По сути, теперь ясно, что среда, окружающая квантовую систему, такую как атом, может сама провести все «измерения». Для этого не требуется осознанное наблюдение. Мы можем представить себе, как атом еще более «запутывается» в своем окружении, так что его квантовая природа «вытекает» в среду как тепло, выделяющееся из нагретого тела. Это вытекание и есть эфемерная квантовая размытость, известная как декогерентность, и в данный момент она активно исследуется. Чем сильнее взаимосвязь между квантовой системой и ее средой, тем быстрее рассеивается ее квантовое поведение.

Объясняет ли этот процесс полностью проблему измерения или нет – вопрос, который все еще горячо дебатируется в определенных кругах. Попытка решить сложную проблему измерений в квантовой механике (или провести границу между мельчайшим квантовым миром и масштабным классическим миром) была впервые осуществлена в середине 1930-х годов знаменитым Эрвином Шредингером при помощи мысленного эксперимента. Несмотря на то что Шредингер был одним из пионеров и отцов-основателей в этой области знаний, он неоднократно высказывал сомнения насчет смысла квантовой механики. Шредингер спрашивал, что бы случилось, если бы мы поместили кошку в ящик с радиоактивным веществом и смертельным ядом. Пока наш ящик закрыт, мы не можем сказать, была ли испущена радиоактивная частица, которая активирует механизм выделения яда, который убьет кошку. Все, что мы можем сделать, – это высчитать вероятность двух возможных исходов, когда мы откроем ящик: либо частица уже испущена и кошка мертва, либо нет и кошка жива. Однако согласно законам квантовой механики, пока ящик закрыт, субатомные частицы будут повиноваться законам квантового мира; следует признать принцип квантовой суперпозиции, и тогда наша частица одновременно уже испущена и еще нет.

В закрытом ящике судьба кошки зависит от квантового события. Шредингер утверждал, что, поскольку сама кошка состоит из атомов, пусть даже их триллионы, каждый из них – некая квантовая сущность, которая тоже должна существовать в квантовой суперпозиции: одновременно в состоянии живом и мертвом. Однако определенный исход мы сможем увидеть, только если откроем ящик. То есть кошка либо жива, либо мертва, а вовсе не находится в состоянии полной неопределенности.

Разумный способ решения этой проблемы в том, чтобы предположить, что такие квантовые суперпозиции докогерируют в окружающую среду и поэтому не сохраняются надолго в отношении таких макроскопических объектов, как кошка, которая никогда не бывает одновременно в двух состояниях даже до того, как мы открываем ящик. На самом деле хотя изолированный радиоактивный атом, пока мы его не увидели, следует считать находящимся в суперпозиции, одновременно в распавшемся и нераспавшемся состоянии, он находится в сложной среде, состоящей из воздуха, счетчика Гейгера и кошки, с которыми он мгновенно вступает в состояние запутанности, так что опция двух одновременных состояний не сохраняется.

Так что, проблема решена? И правда ли, что два альтернативных состояния кошки отражают не более чем наше неведение относительно ее судьбы, пока мы не откроем ящик? Если это не так, то нам все равно остается неизвестно, что за физический процесс происходит, когда мы открываем ящик. Что случилось с опцией, которой мы не наблюдаем? Сторонники интерпретации квантовой механики как множества вселенных считают, что этому есть простое и четкое объяснение. Они утверждают, что теперь у нас есть две параллельные реальности, в каждой из которых реализуется своя опция. То, что мы обнаружим, открыв наш ящик, отражает ту реальность, в которой находимся мы сами.

Другие физики, которые не готовы принять идею бесконечно увеличивающегося количества реальностей, выдвинули целый ряд альтернативных теорий, которые все равно требуют существования объективной реальности в отсутствии измерений, причем каждая теория содержит какой-то причудливый, скрытый аспект реальности. Например, иной способ интерпретации квантовой теории был предложен в 1920-х годах французским физиком Луи де Бройлем, а затем в течение нескольких десятилетий подробно разрабатывался Дэвидом Бомом. Согласно этой теории, квантовый мир состоит из частиц, передвижение которых определяется волновой функцией. Их свойства скрыты от нас (они называются скрытыми переменными), но они описывают квантовый мир без той расплывчатости, которая характерна для копенгагенской картины бытия. Вместо того чтобы считать, что сам электрон проявляет свойства волны и частицы в зависимости от того, как мы проводим измерения, предполагается, что существуют и волны, и частицы, но заметить мы можем только частицы. Небольшая, но очень увлеченная группа физиков во всем мире считает, что у теории Бройля – Бома большие перспективы, однако это очень мало исследованная опция в ряду возможных квантовых интерпретаций.

Как бы меня ни увлекал этот разговор, придется здесь прерваться, поскольку другие книги гораздо глубже освещают эту тему, а мои возможности ограниченны. В любом случае для меня проблема квантовой механики еще не решена, но пока мы на этом остановимся.

До сих пор я в основном уделял внимание базовым понятиям, материи и энергии, пространству-времени, в котором они существуют, и квантовой природе реальности, которая лежит в основе всего этого. И я еще не обращался к некоторым столь же фундаментальным концептам физики, которые начинают проявляться, когда большое количество частиц сходится воедино, образуя сложные системы. Поэтому давайте пока оставим мир мельчайших частиц и уменьшим масштаб, чтобы посмотреть, что происходит, когда возникают сложные системы, и исследуем такие глубинные понятия, как порядок, хаос, энтропия и стрела времени.

Глава 6. Термодинамика и стрела времени

По мере удаления от квантового мира с его произвольностью, размытостью и неопределенностью в фокусе опять оказывается уже знакомый нам мир Ньютона. Дымящаяся чашечка кофе на нашем столе, мячик, только что ударившийся о землю в нашем дворе, или пролетающий над нами реактивный самолет – все это, если задуматься, состоит из материи и энергии, которые образуют системы большей или меньшей степени сложности. Так что, если мы хотим понять физику окружающего нас мира, нам придется понять, как взаимодействует и ведет себя множество частиц в совокупности. Область физики, которая помогает нам понимать поведение большого количества взаимодействующих тел, называется статистической механикой.

Вспомним, что в главе 4 мы познакомились с понятиями материи и энергии и узнали, что энергия может трансформироваться из одной формы в другую, тогда как общее количество энергии в системе остается неизменным. Энергия прыгающего мяча постоянно превращается из потенциальной, когда он находится на некоторой высоте над землей, в кинетическую энергию движения. Таким образом, на максимальной высоте вся энергия является потенциальной, а непосредственно перед тем, как мяч коснется земли и движется с наибольшей скоростью, потенциальная энергия превращается в кинетическую. Все это кажется достаточно очевидным, но мы ведь знаем, что мячик не будет прыгать вечно: он теряет энергию в виде тепла, производимого за счет трения о воздух и ударов о землю. Превращение кинетической энергии в тепло имеет коренные отличия от преобразования потенциальной энергии в кинетическую: это процесс односторонний. Мы страшно бы изумились, если б на наших глазах без посторонней помощи мячик возобновил свое движение.

Как это получается? Почему процесс односторонний?

Мячик перестает прыгать потому же, почему тепло от чашки кофе всегда уходит в более холодную среду и никогда не возвращается обратно, почему сахар и сливки в кофе никогда не восстанавливаются из смеси до своего начального состояния. Добро пожаловать в область термодинамики, которая является третьим столпом физики (наряду с теорией общей относительности и квантовой механикой). Если статистическая механика описывает, как взаимодействуют и ведут себя большие количества частиц в одной системе, термодинамика описывает тепло и энергию в системе и то, как они изменяются во времени. Как станет ясно, эти области исследования во многом взаимосвязаны, так что физики часто изучают их в совокупности. Мы тоже рассмотрим их вместе.

Статистическая механика и термодинамика

Представьте себе заполненную воздухом емкость, в которой все молекулы хаотично движутся. Некоторые быстро, другие помедленнее. Но если в емкости поддерживаются одни и те же температура и давление, то общее количество содержащейся в ней энергии остается постоянным. Эта энергия распределяется между молекулами определенным образом: вся энергия рассредоточена согласно простому статистическому закону. Представьте, что мы вводим в емкость немного более теплого воздуха (более быстрые молекулы): случайные столкновения новых молекул с более прохладными «старожилами» перераспределят энергию. Одни молекулы замедлятся, а другие – ускорятся. В конечном счете молекулы опять стабилизируются в новом состоянии равновесия. На этот раз энергия любой молекулы будет с большой вероятностью несколько выше, чем ранее, а температура воздуха в емкости немного поднимется.

То, как энергия в емкости распределяется между молекулами, называется распределением Максвелла – Больцмана – в честь двух величайших ученых XIX века, которые и основали статистическую механику. Термин «распределение» относится к форме кривой, которая на графике показывает соотношение скорости и количества молекул, движущихся с этой скоростью. Или, иными словами, это линия, соединяющая точки, соответствующие степени вероятности того, что какая-то молекула движется с конкретной скоростью. Высшей точке на графике соответствует наиболее вероятная для молекул скорость, а более высокие или более низкие скорости являются менее вероятными. По мере увеличения температуры в емкости форма кривой изменяется, причем пик распределения вероятности сдвигается к более высоким скоростям. Когда распределение Максвелла – Больцмана восстанавливается, мы говорим, что воздух в емкости достиг термодинамического равновесия.

Стремление систем к статистическому состоянию равновесия связано с очень важным для физики понятием – энтропией. Энтропия системы при отсутствии постороннего воздействия всегда будет увеличиваться; то есть система будет выходить из «специфического» (упорядоченного) состояния и переходить в менее специфическое (смешанное) состояние. Физическим системам свойственно охлаждаться и изнашиваться. Это свойство называется вторым законом термодинамики, который, по сути, отражает не более чем статистическую неизбежность: при отсутствии внешнего воздействия все всегда возвращается к состоянию равновесия.

Представьте себе, что все молекулы воздуха в емкости изначально сконцентрированы в одном ее углу. В начальном состоянии энтропия в емкости низка, поскольку молекулы в ней пребывают в особом, более упорядоченном состоянии. При отсутствии воздействия извне молекулы из-за произвольного движения быстро распределятся по всей емкости – распределение станет равновесным. Так же как скорость нагретых молекул в конце концов снижается до значений, соответствующих состоянию термодинамического равновесия, молекулы в емкости по мере распространения равновесия переходят из состояния низкой в состояние высокой энтропии. Когда молекулы воздуха равномерно распределятся по емкости, энтропия достигнет своего максимума.

Рис. 2. Распределение Максвелла – Больцмана: молекулы газа в емкости будут равномерно распределяться и делиться энергией, пока не достигнут теплового равновесия. Кривая, отражающая количество молекул по отношению к их скорости, известна под названием распределения Максвелла – Больцмана, и пик ее обозначает самую вероятную скорость. По мере возрастания температуры газа этот пик сдвигается к более высокой скорости. Отмечу, что самая вероятная скорость – это не то же самое, что средняя скорость, поскольку в емкости есть частицы со скоростями выше пиковой величины

А вот еще более простой пример. Упорядоченная колода карт, в которой каждая масть сложена отдельно в восходящем порядке, как мы говорим, имеет низкую энтропию. Это в высшей степени упорядоченное состояние, которое нарушается, когда мы тасуем колоду, – и мы говорим, что энтропия увеличивается. Когда мы перемешиваем колоду далее, более вероятно, что порядок еще больше нарушится, чем что карты вернутся в свое первоначальное упорядоченное состояние. Так происходит потому, что в неперемешанной колоде карты сложены в уникальном порядке, тогда как вариантов перемешанной существует бесчисленное множество. Поэтому гораздо более вероятно, что перемешивание пойдет в одном направлении – от неперемешанного состояния к перемешанному, от низкой энтропии к высокой.

Более интересное определение энтропии – следующее: это мера способности объекта затрачивать энергию на осуществление какой-либо задачи. Когда система достигает равновесия, она становится бесполезной. Полностью заряженный аккумулятор обладает низкой энтропией, которая увеличивается, когда его начинают использовать. И здесь в силу вступает различие между полезной и бесполезной энергией. Когда система упорядочена и находится в особом состоянии (с низкой энтропией), ее можно заставить осуществлять полезную работу – так происходит с заряженным аккумулятором, заведенными часами, солнечным светом, химическими связями между атомами углерода в куске угля. Но когда система приходит в равновесие, энтропия достигает максимума, а энергия, которой она обладает, становится бесполезной. Таким образом в некотором смысле для того, чтобы мир продолжал существовать, нужна не энергия, а низкая энтропия. Если бы все пребывало в состоянии равновесия, ничего бы не происходило. Для того чтобы заставить систему работать, то есть обеспечить переход энергии из одного состояния в другое, нужно, чтобы система находилась в состоянии низкой энтропии.

Жизнь – это система, которая может поддерживать себя в состоянии низкой энтропии вдали от теплового равновесия. По сути, живая клетка – сложная система, которая кормится (посредством тысяч биохимических процессов) полезной энергией с низкой энтропией, заключенной в молекулярной структуре пищи, которую мы поглощаем. Эта химическая энергия используется для того, чтобы поддерживать жизненные процессы. В конечном счете жизнь на Земле возможна только потому, что она поглощает энергию Солнца, обладающую низкой энтропией.

Второй закон термодинамики и неизбежная победа энтропии относится и ко всей Вселенной. Представьте себе, что наша емкость с воздухом теперь превратилась в облако холодного газа, расширившееся до размеров Галактики. Если несколько молекул в этом облаке случайно сблизятся на расстояние больше среднего, то очень слабого взаимного притяжения между ними может быть достаточно, чтобы притянуть их друг к другу и сформировать более плотный сгусток[23]. Чем больше молекул войдет в этот сгусток, тем более сильно будут притягиваться новые. Процесс формирования сгустков за счет притяжения лежит в основе образования звезд: огромные облака газа «спадались» воедино, пока не появлялись образования достаточно плотные, чтобы в них могла начаться термоядерная реакция, и тогда загорались звезды. Если задуматься, все это не совсем понятно, поскольку может показаться, что процесс образования сгустков приводит к формированию более упорядоченного, «особого» состояния, и поэтому конечное состояние должно иметь более низкую энтропию, чем когда все молекулы распределяются равномерным образом. Так что, неужели сила притяжения заставила энтропию газа понизиться, а второй закон термодинамики оказывается нарушенным?

Ответ: нет. Когда материя собирается в сгустки под воздействием гравитации, ее энтропия увеличивается. Причина та же, что увеличение энтропии мячика, когда он скатывается с холма из-за силы притяжения Земли. Эти сгустки можно представить, как растянутую пружину, которую вдруг отпустили, или как часы, у которых кончается завод: по мере того как они теряют способность совершать полезную работу, их энтропия увеличивается. Таким образом, когда молекулы газа в определенной части облака случайно оказываются на время ближе друг к другу, чем при их равномерном распределении, это означает временный уход от максимальной энтропии. Чтобы энтропия снова увеличилась, по второму закону термодинамики эти молекулы могут сделать одно из двух. Они могут либо вновь разойтись в стороны друг от друга до своего прежнего состояния термального равновесия, либо вследствие действия взаимного притяжения, наоборот, собраться в сгустки. В любом случае их энтропия возрастет.

Рис. 3. Увеличение энтропии: частицы в емкости, которые слегка отошли от состояния равновесия (низкая энтропия), могут увеличивать свою энтропию либо путем перераспределения до достижения равновесия, либо путем образования сгустков под воздействием силы притяжения. В любом случае они повышают свою энтропию и следуют второму закону термодинамики

Теперь вам следует спросить: что же может вызвать такое отклонение от состояния максимальной энтропии? А дело в том, что материя и энергия в нашей Вселенной изначально находились не в состоянии термического равновесия, а в совершенно особом состоянии низкой энтропии, обусловленном самим Большим взрывом. Эти изначальные условия на квантовом уровне привели к возникновению в пространстве-времени огромного количества нарушений, которые начинали играть все большую роль в «космической ткани» по мере расширения Вселенной. Так что в процесс распределения материи была изначально заложена некоторая неравномерность. По мере того как Вселенная продолжала «раскручиваться», материя, которая была достаточно плотной, чтобы влияние притяжения оказалось значимым, в конце концов образовывала сгустки, а в дальнейшем – звезды и галактики. Молекулы водорода и гелия в космосе попадали в гравитационные колодцы, образуемые звездами, тем самым вызывая рост энтропии. Однако, что важно, эта энтропия не достигает максимума, поскольку звезды не находятся в состоянии термического равновесия, оставаясь, однако, резервуарами низкой энтропии, а термоядерные реакции в них высвобождают избыточную энергию в виде тепла и света. Именно такая энергия, исходящая от нашего Солнца, делает возможной жизнь на Земле. Растения используют ее в фотосинтезе для создания биомассы, накапливая полезную энергию с низкой энтропией в молекулярных связях органических соединений; затем ею могут воспользоваться другие живые существа, а в конечном счете и люди, которые поглощают растения в виде пищи.

Сама Земля тоже имеет запас полезной энергии, которая вместе с энергией Солнца определяет ее климат, тогда как гравитационная энергия Луны и Солнца управляет океанскими приливами. Все это обеспечивает полезные запасы низкой энтропии, которыми мы можем воспользоваться. Например, вода в верхней части водопада стекает под воздействием силы притяжения, превращая таким образом потенциальную энергию в кинетическую, которой мы можем пользоваться, построив гидроэлектростанции, генерирующие электричество. Конечно, всегда будет происходить некая потеря эффективности – согласно второму закону в целом необходим некоторый рост энтропии в виде бесполезного тепла.

Однако в мире происходит нечто гораздо более существенное, чем просто переход энергии из одной формы в другую.

Направленность времени

Если какая-либо физическая система, включая Вселенную, всегда развивается от упорядоченного состояния с низкой энтропией к неупорядоченному состоянию с высокой энтропией, то это нам задает направление течения самого времени: второй закон термодинамики позволяет нам различать прошлое и будущее. Это может показаться несколько странным; в конце концов, для того, чтобы понять, что вчера – это прошлое, нам не нужен второй закон термодинамики. В вашем мозгу хранится память о событиях этого дня, хотя сами события навсегда остались в прошлом. Между тем завтра неизвестно – ему еще предстоит произойти. Эта стрела времени, направленная из прошлого в будущее, как мы интуитивно чувствуем, является более фундаментальной принадлежностью реальности, а второй закон на нее опирается. А на самом деле все наоборот: второй закон термодинамики следует считать основой стрелы времени. Без второго закона не было бы ни будущего, ни прошлого.

Представьте себе, что мы смотрим фильм про нашу емкость с воздухом (а молекулы воздуха достаточно велики, чтобы мы могли их увидеть). Они будут метаться туда-сюда, сталкиваясь друг с другом и со стенами емкости, – некоторые побыстрее, другие помедленнее. Но если воздух находится в состоянии термического равновесия, то мы не сможем сказать, показывают ли нам фильм от начала к концу или от конца к началу. В масштабе молекулярных столкновений нам не удалось бы различить никакой направленности во времени. Без роста энтропии и стремления к равновесию все физические процессы во Вселенной могли бы с тем же успехом двигаться в обратном порядке. Однако, как мы видели, это стремление Вселенной и всего в ней к равновесию сводится к статистической вероятности событий на молекулярном уровне: от того, что может случиться с наименьшей вероятностью, к тому, что может случиться с большей, – согласно законам термодинамики. В направленности времени из прошлого в будущее нет ничего таинственного; это просто вопрос статистической неизбежности.

Если иметь это в виду, то даже тот факт, что я знаю прошлое, но не знаю будущего, больше не кажется странным. Когда я наблюдаю мир вокруг, увеличивается объем информации в своем мозгу – процесс, в ходе которого по мере работы моего мозга вырабатывается бесполезное тепло, а значит, растет энтропия моего тела. Даже сама наша способность различать прошлое и будущее с точки зрения термодинамики является не более чем проявлением второго закона в отношении нашего мозга.

Детерминизм и случайность

Изложенное выше может привести вас в замешательство – и это будет справедливо. Безусловно, различие между прошлым и будущим – это больше, чем статистическое стремление произвольно сталкивающихся молекул к равновесию или различие между перемешанной и неперемешанной колодой карт. В конце концов, прошлое фиксировано – мы помним только одну последовательность событий, одну историю. И наоборот, в будущем для нас открыто бесчисленное количество возможностей[24].Большинство событий, которые произойдут завтра, окажутся для вас неожиданными, да и мой день может пойти самым различным образом, в зависимости от того, как сойдутся миллионы различных факторов. Так есть ли на самом деле разница между прошлым и будущим на более глубоком уровне, нежели просто статистический? Разница, которая бы отражала тот факт, что у нас одно прошлое, но много возможных будущих? Другими словами, предначертана ли нам определенная судьба, или наше будущее зависит от случая? Эти философские вопросы задаются многие сотни лет, поскольку они касаются природы свободной воли.

Когда физики говорят о «детерминированном» процессе, они обычно имеют в виду концепцию причинного детерминизма, предполагающего, что прошлые события предопределяют будущие. Но если это так, то не может быть ничего случайного; все, что происходит, имеет под собой веское основание – то, что произошло раньше; причина порождает следствие. Поэтому в принципе состояние Вселенной на настоящий момент можно отследить, шаг за шагом, до самого момента Большого взрыва. А если это правда, то события в настоящем предопределяют события в будущем таким образом, что в принципе мы должны быть способны прогнозировать будущее. При этом термин «событие» в данном случае включает в себя разряды нейронов нашего мозга, которые обусловливают мыслительный процесс и принятие нами определенных решений. В конечном счете мозг ведь тоже состоит из атомов. Нет никакого волшебного компонента, который выводил бы его из-под действия законов физики.

Во Вселенной, где все предопределено, у нас не было бы выбора в отношении наших действий и решений, поскольку у нас был бы только один вариант будущего, как и один вариант прошлого. (Помните, в главе 3 я уже говорил о блок-вселенной Эйнштейна.) Однако ход событий, при котором прошлое определяет будущее, а не наоборот, обусловлен вторым законом термодинамики, без действия которого события, которые мы называем «будущими», с тем же успехом могли бы предопределять «прошлые».

Но если это так, как же получилось, что мы не можем хоть с малой долей уверенности прогнозировать будущее? В конце концов, даже самые мощные суперкомпьютеры не способны точно сказать, будет ли на следующей неделе дождь. В случае с погодой причина очевидна. Если представить себе сложность того явления, которое мы хотим смоделировать, и количество переменных, которые нам необходимо знать для точного прогноза, – от колебаний температуры в атмосфере и океанах до атмосферного давления, направления и скорости ветра, солнечной активности и прочего, – вы поймете, что эта задача будет тем труднее, чем дальше в будущее вы захотите заглянуть. Таким образом, хотя метеорологи могут с уверенностью предсказать, будет ли завтра солнечно или облачно, невозможно спрогнозировать, будет ли в этот день через год идти дождь. Что интересно, это не значит, что данная информация недоступна в принципе, поскольку в детерминированной Вселенной будущее предопределено. На практике нам необходимо знать текущие условия на Земле с поразительной степенью точности и иметь фантастические компьютерные мощности, чтобы загрузить соответствующие данные и разработать точную модель, которую затем развить с помощью математического аппарата для получения надежного прогноза.

Именно эта хаотическая непредсказуемость лежит в основе знаменитого эффекта бабочки, когда мельчайшее, несущественное движение воздуха от взмаха крыльев бабочки на одном конце света может постепенно нарастать, пока не станет решающим на другом конце света – и вызовет разрушительный ураган. Это не значит, что существует определенная бабочка, которой мы можем приписать причину возникновения урагана. Скорее, любое незначительное изменение первоначальных условий при развитии данной системы во времени может привести к широкому ряду самых разных последствий.

Физические уравнения описывают детерминированно развивающийся мир. Если бы мы знали изначальные условия в системе (где находится каждая составная частица и как она движется в каждый момент времени, а также все силы, действующие между частицами), то мы могли бы рассчитать, как развивается эта система с точки зрения абсолютного детерминизма. Причина и следствие. Перед нами могло бы раскрыться все наше будущее.

Конечно, проблема в том, что нам никогда не осуществить этого на практике. Эта неспособность с абсолютной точностью знать или контролировать изначальные условия в системе, а также дальнейшие воздействия на эту систему наблюдается даже для гораздо более простых систем, чем погода. Нельзя подбросить монетку точно так же, как в предыдущий раз, чтобы снова и снова добиваться одного и того же результата. Если я подбросил монетку и выпала решка, мне будет чрезвычайно трудно повторить этот трюк и заставить монетку вращаться одно и то же количество раз, чтобы уж точно выпала решка. В нашей детерминированной Вселенной наша судьба совершенно предопределена, и все же мы не можем ее предсказать хоть с какой-то степенью уверенности.

Но как же насчет квантовой механики? Разве здесь на самом фундаментальном уровне не работает истинная случайность или неопределенность? Разве квантовая механика не освобождает нас от скучного детерминизма и предопределенного будущего, в котором, как нам кажется, уже нет места для свободного выбора, а мы просто колесики в упорядоченном часовом механизме? Правда в том, что четкого ответа на этот вопрос еще нет. Кроме того, следует различать понятия непредсказуемости и индетерминизма. Безусловно, вероятностная природа квантового мира означает, что события непредсказуемы, что мы заранее точно не знаем, где окажется электрон, или в каком направлении он движется, или когда точно распадется радиоактивный атом. Все, что можно сделать с помощью квантовой механики, – определить вероятность результатов различных измерений. Однако, хотя непредсказуемость может свестись к истинному индетерминизму, математика квантовой теории этого не предполагает. Индетерминизм – это интерпретация, которую мы накладываем на математику, чтобы описать то, что мы измеряем. Например, большинство космологов выступают за интерпретацию квантовой механики в виде множества вселенных, где все полностью детерминировано.

Есть еще одна точка соприкосновения между непредсказуемостью, кажущейся произвольностью и физикой – феномен хаотичного поведения. В природе хаос наступает там, где в системе существует нестабильность, так что крохотные изменения в процессе ее развития во времени могут нарастать как снежный ком. И вот опять перед нами эффект бабочки. Иногда даже простые системы, развивающиеся по простым, детерминированным законам физики, ведут себя крайне непредсказуемо и сложно, что кажется абсолютно произвольным. Однако, в отличие от квантовой области, где мы не знаем, связана ли эта непредсказуемость с истинным индетерминизмом[25], непредсказуемость хаотичной системы, несмотря на все внешние признаки, не связана с истинной произвольностью.

У теории хаоса есть еще интересная оборотная сторона: простые правила, если их применять неоднократно, могут привести к внешне произвольному поведению, а потом вдруг образуют великолепные структуры и модели поведения, которые выглядят в высшей степени упорядоченными. Там, где не было никакой сложности, она неожиданно возникает во всей своей красе, при этом совершенно не нарушая второй закон термодинамики. Область науки, занимающаяся такого рода непредсказуемым поведением, известна как область комплексных систем, и она начинает играть основную скрипку во многих сферах, таких как биология, экономика и искусственный интеллект.

Таким образом, вполне может быть, что наша Вселенная является совершенно детерминированной системой, а всякая непредсказуемость относительно ее будущего связана только с нашей собственной неспособностью точно узнать, что же будет дальше.

Это, в свою очередь, может объясняться либо тем, что на квантовом уровне мы не способны наблюдать за состоянием системы, не вторгаясь в нее и не воздействуя тем самым на результат, либо тем, что на практике нам недоступны абсолютные знания о системе, а накопление неточностей означает, что мы не можем с уверенностью предсказать будущее.

Что такое время

Теперь, когда мы бегло познакомились с детерминизмом и произвольностью в физике, давайте снова вернемся к основной теме этой главы, а именно – к направленности времени с точки зрения законов термодинамики. Обратите внимание, ранее я уже знакомил вас с тремя различными взглядами на то, что есть время, причем каждый из них основан на одном из столпов физики.

Во-первых, согласно специальной теории относительности время не абсолютно; оно не бежит вперед независимо от событий, происходящих в трехмерном пространстве, – напротив, его следует свести с пространством в единый четырехмерный пространственно-временной комплекс. И это не просто математический фокус. Такой подход логически следует из свойств реального мира, он вновь и вновь подвергается экспериментальной проверке и каждый раз не противоречит устройству Вселенной. Теория всемирного тяготения Эйнштейна (общая теория относительности) декларирует, что пространство-время и есть гравитационное поле – чем сильнее поле, тем большему искривлению подвергается пространство-время. Таким образом, из теории относительности следует: время является составной частью физической ткани Вселенной, измерением, которое может быть растянуто или сжато силой тяготения.

Этот подход совершенно отличен от несколько заурядной роли, которая отводится времени в квантовой механике, где оно не более чем один из параметров – число, которое подставляется в уравнение. Если мы знаем, каково было состояние системы в некий момент времени t_1, то можем рассчитать ее состояние в любой другой момент времени t_2 и так далее. Можно двигаться и в обратном направлении; зная состояние системы в более поздний момент времени t_2, мы можем вычислить ее состояние в более ранний момент времени t_1. Стрела времени в квантовой механике имеет обратимый характер.

В термодинамике у времени появляется еще один смысл. Здесь оно не является ни параметром, ни измерением – оно становится необратимой стрелой, направленной из прошлого в будущее, в сторону увеличения энтропии.

Многие физики считают, что в один прекрасный день нам удастся свести воедино все три понимания времени. Ведь мы еще не услышали последнего слова в области квантовой механики, поскольку до сих пор полностью не понимаем, каким образом детерминированные уравнения, которые описывают динамику квантового состояния (притом что время может течь в обоих направлениях), соотносятся с необратимым, однонаправленным процессом измерения. Стремительно развивающаяся квантовая информационная теория подсказывает нам, что то, каким образом развивается и взаимодействует с окружением квантовая система, очень похоже на то, как нагретый предмет передает свое тепло в более прохладную окружающую среду. Это, возможно, сблизит квантовую механику и термодинамику.

Один эксперимент, проведенный в 2018 году в Австралии, в Университете Квинсленда, ярко продемонстрировал, насколько загадочно все это выглядит на квантовом уровне, – ведь события там происходят не в причинно-следственном порядке. По сути, в физике причинно-следственные отношения означают, что если событие А происходит до события В (в определенных временных рамках), то А, возможно, повлияло или даже вызвало событие В. Однако событие В никак не могло повлиять или вызвать событие А. На квантовом же уровне, как было показано, эта логическая цепочка оказывается нарушенной. Это привело некоторых физиков к выводу, что на квантовом уровне стрела времени на самом деле не существует; она представляет собой подвижную характеристику, которая проявляется, только когда мы уменьшаем масштаб до макроуровня.

Однако именно поиск решения, как же согласовать два первых основных закона физики, целый век занимал умы многих ученых. Некоторые посвящали всю жизнь тому, чтобы попытаться свести квантовую механику и общую теорию относительности к одной всеобъемлющей теории квантового притяжения. Этому единению двух важнейших идей в физике ХХ века и посвящена следующая глава.

Глава 7. Унификация

Неуемное желание физиков-теоретиков достичь теоретической унификации, то есть объединить законы природы и свести их в единую стройную математическую теорию всего, часто кажется не более чем навязчивым стремлением к простоте и компактности, попыткой «упаковать» всю сложность природных явлений, используя минимальный набор основных принципов. На самом деле все не так просто. Чем больше мы узнавали о природных процессах, чем больше связей мы обнаруживали между на первый взгляд не связанными силами и частицами, тем меньше правил и принципов нам требовалось для объяснения все более широкого круга явлений. Унификация – это не какая-то цель, которую мы сознательно перед собой поставили; она сформировалась независимо от нас в результате все более глубокого понимания физического мира. Однако успех в этом деле, безусловно, связан с определенной эстетической привлекательностью, которая заставляет нас двигаться дальше в этом направлении. И тут мы добились очень многого.

С математической точки зрения стремление унифицировать законы физики было часто связано с поиском абстрактной симметрии, неких моделей, за которыми скрываются фундаментальные истины, связанные с природными процессами. В главе 2 вы уже видели доказательства принципа центральной симметрии, который связан с законами сохранения энергии и импульса. Боюсь, однако, что для истинного понимания значения и роли, которую сыграли за последний век различные виды симметрии в теоретической физике, нам не хватит объема этой небольшой книги.

Погоня за унифицированной теорией иногда трактуется как попытка собрать все силы природы под одним зонтиком и предположить, что существует всего одна «суперсила» и что различные виды взаимодействия в природе (электромагнетизм, гравитация, а также две силы ближнего действия внутри атомного ядра) – это различные аспекты действия этой единой силы. Пока что физикам неплохо удается развивать этот проект унификации. Я уже писал о том, как Ньютон осознал, что сила, заставляющая яблоко упасть с дерева, – та же самая сила притяжения, которая управляет движением небесных тел. В его время, в отличие от теперешнего, это было совсем не очевидно. До Ньютона считалось, что предметы падают на землю потому, что все в мире имеет «тенденцию» перемещаться на свое «естественное» место – к центру мира и что движение Солнца, Луны, планет и звезд подчиняется совершенно различным законам. Ньютоновский закон универсальной гравитации сводит все эти явления воедино, утверждая, что все массы притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной квадрату расстояния между ними, независимо от того, идет ли речь о яблоке или о Луне; они притягиваются к Земле с силой, определяемой одной и той же формулой.

Следующий значимый шаг по пути унификации был сделан почти через 200 лет после Ньютона, когда Джеймс Клерк Максвелл доказал, что электричество и магнетизм являются, по сути, двумя сторонами одной и той же электромагнитной силы. Например, в основе электростатического притяжения между кусочком бумаги и надувным шариком, который вы потерли о свою одежду, лежит та же электромагнитная сила, которая притягивает скрепку к магниту. Почти все явления, которые мы наблюдаем в природе, в конечном счете обязаны своим появлением одной из двух сил – силе притяжения или электромагнитной. Поэтому было совершенно естественно, чтобы мы пошли дальше и для обеих сил создали единую теорию.

Мы уже видели, что гравитационное поле – не более чем форма самого пространства-времени, причем само это открытие также основано на идее унификации. Объединив пространство и время, Эйнштейн открыл одну непреложную истину: наблюдатели (сколь бы быстро они ни двигались относительно друг друга) могут одинаково оценивать интервал между двумя событиями только в условиях четырехмерного пространства-времени. Через десять лет его общая теория относительности дала миру новую, более точную картину того, как масса и энергия приводят к искривлению пространства-времени. Однако следующие 40 лет Эйнштейн безуспешно пытался разработать унифицированную теорию, которая объединила бы теорию гравитации с максвелловской теорией электромагнетизма.

Теперь мы знаем, что, кроме гравитации и электромагнетизма, существует еще две силы, сильная и слабая силы ядерного взаимодействия, которые действуют только на микроскопических расстояниях и являются не менее важными фундаментальными законами природы. Именно объединение электромагнитной силы с одной из этих ядерных сил будет следующим шагом в развитии физики в грядущем веке.

Однако этот значительный шаг вперед в нашем понимании природы фундаментальных сил стал возможным только в условиях эволюции квантовой механики от теории, описывающей микрокосм в терминах частиц и волн, к теории, основанной на понятии поля. В главе 3 я кратко затронул это понятие в контексте притяжения и электромагнетизма. Теперь же мы обратимся к подробному анализу понятия квантового поля.

Квантовая теория поля

Наверное, у вас создалось впечатление, что, когда около 100 лет назад была выдвинута теория квантовой механики, большинство физиков начали пытаться с ее помощью решать реальные задачи из области физики и химии и только немногие, более философски настроенные, продолжали спорить о том, в чем же ее смысл. Во многих отношениях так оно и было. Однако верно и то, что в течение первой половины XX века квантовая механика продолжала усложняться. К концу 20-х годов основной математический аппарат (уравнения и правила) был уже готов, но Полю Дираку вскоре удалось объединить квантовую теорию со специальной теорией относительности Эйнштейна. А еще он свел воедино квантовую механику и теорию электромагнитного поля Максвелла, впервые получив в результате квантовую теорию поля. Последняя со временем превратилась в мощный и точный способ описания электромагнитного взаимодействия материи со светом на квантовом уровне.

Квантовая теория поля Дирака объясняет, каким образом электроны испускают и поглощают фотоны и каким образом два электрона отталкиваются друг от друга не с помощью какой-то невидимой силы, а посредством обмена фотонами. К 1930-м годам различие между физикой частиц и физикой поля на квантовом уровне было сведено на нет. Таким образом, как фотоны, подобно частицам, являются проявлением электромагнитного поля, сгустками чистой энергии в квантовом масштабе, так и локализованные частицы материи, такие как электроны и кварки, являются просто проявлением связанного с ними квантового поля. Однако, в отличие от случая с фотонами и электромагнитными полями, для материальных частиц это не так уж очевидно. Причина в том, что фотоны могут объединяться в неограниченных количествах, тогда как материальные частицы, вроде электронов и кварков, менее склонны к образованию связей. Это обусловлено законом квантовой механики под названием «принцип запрета Паули», согласно которому никакие две материальные частицы не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. А это, в свою очередь, означает, что наблюдать действие квантовых полей не так уж просто.

К концу 1940-х годов наконец-то были решены математические проблемы, связанные с описанием квантовых полей и получила свое завершение квантовая электродинамика (КЭД). До сего дня эта теория считается самой точной из всех научных теорий. Кроме того, на фундаментальном уровне она может объяснить почти все вокруг нас, поскольку на ней основана вся химия и природа материи – начиная с того, как работают микрочипы в моем ноутбуке, и кончая нейронами, испускающими разряды в нашем мозге, которые отправляют пальцам сигнал и заставляют их стучать по клавиатуре. Все это потому, что КЭД обусловливает любые взаимодействия в атоме.

И все же, несмотря на свое всевластие, КЭД описывает только одну из природных сил – электромагнетизм.

В конце 50-х – начале 60-х годов для объединения КЭД и полевой теории слабого ядерного взаимодействия физики пользовались прекрасным, но сложным математическим аппаратом. Они доказали, что слабое взаимодействие на фундаментальном уровне также генерируется посредством обмена частицами, что эквивалентно той роли, которую в электромагнитной силе играет обмен фотонами. Сегодня у нас есть унифицированная теория, описывающая единое «слабое» электрическое взаимодействие, которое через процесс под названием «нарушение симметрии» распадается на два различных физических процесса: электромагнетизм (проявляющийся через обмен фотонами) и слабое взаимодействие, возникающее в связи с обменом бозонов W и Z. Последние были позже, в 1983 году, обнаружены в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) и с тех пор активно изучаются. Распад на две силы (нарушение симметрии) связан с действием еще одного поля под названием «поле Хиггса», которое обеспечивает массой частицы W и Z, тогда как фотоны остаются лишенными массы. Эта унификация означает, что на фундаментальном уровне четыре силы природы сводятся к трем: слабой электрической силе, сильному ядерному взаимодействию и силе притяжения (которая согласно общей теории относительности вообще не является силой). Не знаю, насколько все вышесказанное поможет вам понять данную проблему.

В то же время была разработана другая квантовая теория поля, которая описывала сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протонов и нейтронов. Своеобразие сильного взаимодействия заключается в том, что оно связано со свойством под названием «изменение цвета», которое стоит здесь кратко пояснить. Подобно тому как частицы, подверженные действию электромагнитной силы, могут иметь два разных типа электрического заряда, который мы обычно называем положительным или отрицательным[26],частицы, которые подвержены влиянию сильного взаимодействия (кварки), могут иметь три типа зарядов, которые называются цветовыми, чтобы отличить их от электрических. Замечу, что цвет здесь нельзя воспринимать буквально. Три, а не два типа цветовых зарядов (по аналогии с электрическими) понадобились для того, чтобы объяснить, почему каждый протон и нейтрон должен содержать по три кварка; аналогия с цветом была выбрана, так как именно три цвета (красный, синий и зеленый) при наложении друг на друга образуют белый. Так, каждый из трех кварков в протоне или нейтроне несет свой цветовой заряд – красный, синий или зеленый, образуя в результате частицу, которая оказывается бесцветной.

Закон гласит, что кварки не могут существовать сами по себе, поскольку наделены цветом; они могут существовать только при условии объединения в бесцветные комбинации[27]. По этой причине полевая теория сильного взаимодействия, которая связывает кварки друг с другом, стала известна как квантовая хромодинамика, или КХД. Обмен частицами между кварками происходит за счет глюонов, что, как вы, наверное, согласитесь, является гораздо более удачным наименованием, чем названия носителей слабого взаимодействия, бозонов W и Z.

Теперь давайте подытожим. Из четырех известных сил природы три объясняются квантовыми теориями поля. Электромагнитная сила и слабое ядерное взаимодействие связаны друг с другом через электрослабую теорию, а сильное взаимодействие объясняется квантовой хромодинамикой. Теорию, которая объединит все три силы, еще предстоит разработать. Она известна как Теория великого объединения. Однако пока ее еще нет, мы должны обходиться совсем стабильным союзом электрослабой теории и КХД, который получил название «Стандартная модель физики элементарных частиц».

Даже самые активные приверженцы этой теории будут вынуждены согласиться, что Стандартная модель, скорее всего, не является последним словом в данной области. Эта идея все еще жива отчасти потому, что нам нечем ее заменить, а с другой стороны, потому, что прогнозы, сделанные с ее помощью, пока подтверждаются экспериментами, например открытием в 2012 году бозона Хиггса (но об этом – потом). И все же, несмотря на то что эта модель является самой удачной интерпретацией трех из четырех сил природы, физики, лелея надежду обнаружить более глубокое и точное описание реальности, ни о чем не мечтают так, как о каком-нибудь новом открытии, которое можно было бы противопоставить Стандартной модели. Однако, пока прогнозы Стандартной модели находят экспериментальное подтверждение, она продолжает существовать.

Конечно, во всем этом обсуждении квантовых теорий поля не хватает одной очень важной составляющей – гравитации.

Поиск квантовой гравитации

Мы выяснили, что описание нашего мира в терминах размера, времени и энергии, соответствующее ньютоновской физике, является лишь приближенным и что под ним скрываются более фундаментальные физические теории, которые работают в условиях экстремальных масштабов. На одном конце шкалы располагается квантовая теория поля, которая привела к созданию Стандартной модели элементарных частиц и объясняет три из четырех известных сил природы. На другом конце шкалы – общая теория относительности, которая дает Стандартную модель космологии, описывающей гравитацию. Эта модель для огромных масштабов имеет множество наименований – принцип соответствия, модель Лямбда-CDM или космологическая теория Большого взрыва. Я более подробно расскажу о ней в следующей главе.

Физикам часто задают вопрос: почему нам кажется столь важным и вообще возможно ли в принципе потакать этому стремлению к унификации, пытаться свести воедино эти две модели, описывающие явления совершенно различных масштабов: квантовый мир и мир космоса? Конечно, каждая из них прекрасно работает в своей области – разве этого не достаточно? Но снова подчеркну: цель физики не просто в том, чтобы объяснить, что мы видим, или найти нашим идеям полезное применение; смысл физики в том, чтобы наиболее глубоко и полно понять реальность.

Итак, в данный момент наше положение таково: мы застряли между двумя успешными теориями, квантовой теорией поля и общей теорией относительности, которые не очень склонны сочетаться друг с другом. Вообще-то, непохоже, чтобы у них было много общего; и математические аппараты у них несовместимы друг с другом. Однако не может быть, чтобы у этой истории не было продолжения. Мы ведь знаем, что пространство-время реагирует на материю, которой оно заполнено. А еще мы знаем, что материя в субатомном масштабе ведет себя согласно законам квантовой механики, что должно непременно сказаться на поведении пространства-времени. Если ненаблюдаемый электрон находится в квантовой суперпозиции и в двух или более состояниях одновременно – например, если его квантовое состояние размыто по некоторому объему пространства или находится в суперпозиции нескольких видов энергии, – то эта размытость должна как-то отражаться и на пространстве-времени вокруг электрона. И Принстонский университет не обладает исключительными правами на решение проблемы общей теории относительности.

Итак, остается вопрос: как нам проквантовать гравитационное поле? Что надо сделать, чтобы объединить квантовую теорию поля и теорию общей относительности? И если они совершенно несовместимы, то какая из них должна «уступить», чтобы позволить нам прийти к теории квантовой гравитации?

Теория струн

В середине 1980-х годов был предложен возможный вариант теории квантовой гравитации. Он был основан на математической идее под названием «суперсимметрия», о которой я говорил в главе 2. Этот вариант стал известен как теория суперструн и завладел умами многих физиков-математиков моего поколения. Идея супесимметрии предполагает наличие связи между двумя видами элементарных частиц согласно Стандартной модели – между материальными частицами, или фермионами (кварки, электроны и родственные им частицы), и частицами с собственным импульсом, или бозонами (фотоны, глюоны, W– и Z-бозоны).

Теория струн была предложена в конце 1960-х годов как теория сильного ядерного взаимодействия, но, когда в 1970-х была разработана теория хромодинамики, которая оказалась успешной, теорию струн сочли бесполезной и перестали использовать. Однако скоро стало понятно, что, если дополнить теорию струн идеей суперсимметрии, она может претендовать на гораздо более существенную роль, чем теория сильного взаимодействия, – на место Теории всего.

Основное положение теории суперсимметричных струн (или суперструн) в следующем: один из способов унифицировать все силы – добавить новое измерение в знакомое нам трехмерное пространство. Эта идея восходит к работам польского физика-теоретика Теодора Калуцы, который вскоре после окончания Первой мировой войны заметил, что, если решить уравнения Эйнштейна, касающиеся общей теории относительности, в пятимерном пространстве-времени вместо четырехмерного, то получится электромагнетизм в виде вибраций в этом пятом, невидимом измерении. Калуца показал свою работу Эйнштейну, которому поначалу она понравилась. Казалось, что в области электромагнетизма она сделала то, что удалось Эйнштейну в области гравитации, – заменила теоретическое описание в терминах физической силы описанием в терминах чистой геометрии.

И все же, несмотря на этот изящный способ унификации света (электромагнетизма) и гравитации (общей теории относительности), большинство физиков (включая самого Эйнштейна) вскоре стали скептически относиться к работе Калуцы, поскольку не удалось экспериментально доказать существование этого дополнительного измерения.

Через несколько лет шведский физик Оскар Клейн высказал предположение, что пятое измерение нельзя наблюдать потому, что оно «свернуто» и слишком мало, чтобы его увидеть. Чтобы пояснить это, можно воспользоваться стандартной аналогией. На расстоянии шланг кажется одноразмерной лентой, но если увеличить масштаб, мы увидим, что на самом деле это двухмерная поверхность, смотанная в цилиндр. Второе измерение (окружность шланга) слишком мало, чтобы разглядеть его на расстоянии. Клейн предположил, что это верно и для пятого измерения Калуцы, которое свернуто в окружность размером в одну миллиардную триллионной части атома. Хотя теория Калуцы – Клейна не привела к унификации гравитации и электромагнетизма, она помогла исследователям найти связь между теорией суперструн и измерениями более высокого уровня. Однако теперь вместо одного скрытого пространственного измерения требовались целых шесть, причем все они должны быть «скручены» в один шестиразмерный шар, который невозможно визуализировать. Таким образом, теория суперструн утверждает, что существует десять измерений: четыре измерения пространства-времени, данные нам в ощущениях, плюс шесть скрытых измерений.

Многие исследователи, которые стремятся унифицировать все силы природы, до сих пор продолжают работать над теорией струн. Они утверждают: мы уже далеко продвинулись в понимании трех сил из четырех, используя такие успешные идеи, как квантовая теория поля и суперсимметрия; почему бы нам так же не обуздать гравитацию. Вполне возможно, что они правы.

Теория струн опирается на квантовые механические свойства материи в пространстве-времени. Ее основополагающая идея заключается в том, что все элементарные точечные частицы на самом деле являются крошечными струнами, вибрирующими в скрытых измерениях. Эти струны гораздо меньше, чем масштабы, которые сейчас используются в физике частиц, так что нам они представляются в виде точек. В 1990-х годах возникла новая проблема: оказалось, что существует пять различных версий теории струн, причем никто не знал, какая из них верна. Тогда была предложена новая, еще более мощная теория, которая сводила воедино все пять версий. Эта всеобъемлющая теория теперь называется М-теорией – суперсимметричной теорией с одиннадцатью, а не десятью измерениями. Однако оказалось, что для разработки всеобщей программы унификации нужно еще одно скрытое измерение.

Так что, вот оно? Является ли М-теория конечной теорией всего? К сожалению, мы еще не можем этого сказать. Хотя ее математический аппарат отличается изяществом и мощью, мы не можем сказать, являются ли М-теория и теория струн адекватными описаниями реальности. В следующей главе я обращусь к некоторым самым известным проблемам и противоречиям, связанным с этим вопросом. Во всяком случае, у М-теории в этой погоне за унификацией есть достойный соперник. Новая теория – петлевой квантовой гравитации – имеет столь же спекулятивный характер, однако некоторые физики-теоретики считают, что она обеспечивает более ясный и разумный путь к унификации. Она появилась в последнем десятилетии ХХ века.

Петлевая квантовая гравитация

Теория петлевой квантовой гравитации берет начало не из квантовой теории поля, а с другой стороны – из общей теории относительности. В ее основу положено понятие пространства-времени, а не содержащейся в нем материи. С эстетической точки зрения могло бы показаться логичным подвергнуть гравитационное поле квантованию. Ведь согласно общей теории относительности оно и есть собственно пространство-время. Тогда, если мы дойдем до достаточно мелкого разрешения, мы увидим, что пространство становится зернистым и дискретным. Подобно тому как в 1900 году Макс Планк предположил, что тепловая радиация в конечном счете распространяется в виде квантовых сгустков, квантование пространства предполагает, что должен существовать какой-то минимальный отрезок, который дальше уже не разделить. Однако кванты гравитационной энергии являются квантами самого пространства, что подразумевает, что они не могут существовать в виде сгустков внутри пространства… они являются сгустками самого пространства.

Считается, что мельчайшая единица пространства – квантовый объем – составляет в поперечнике один планк, то есть 10-35 метра. Мне всегда доставляло удовольствие представлять, насколько это ничтожный объем. Например, атомное ядро содержит столько планков, сколько кубических метров в Млечном Пути.

Если мы хотим квантовать гравитационное поле, такая дискретизация пространства кажется неизбежной. Из этого следует, что время тоже должно быть «комковатым». Так что ровное пространство и время, данное нам в ощущениях – это не что иное, как крупномасштабное приближение «комковатых» гравитационных квантов, которые представляются нам разглаженными, поскольку отдельные пространственно-временные пиксели слишком малы для нашего восприятия.

Теория петлевой квантовой гравитации абсолютно противоречит теории струн, согласно которой гравитационное поле действует через квантовые гравитационные частицы (гравитоны, лишенные массы состояния струн), и в этом она схожа со Стандартной моделью, согласно которой три силы (электромагнетизм и сильное/слабое ядерные взаимодействия) являются, по сути, квантовыми полями, действующими через частицы – носители импульса. В теории струн этот квант гравитационного поля существует внутри пространства-времени, тогда как в теории петлевой гравитации квантуется само понятие пространства-времени.

Теория петлевой гравитации подразумевает замкнутый маршрут, который ведет от одного кванта пространства через некие соединения к соседним квантам, причем он имеет форму петли и снова выводит к начальной точке. Характер этих петель определяет искривленность пространства-времени. В отличие от струн петли не физические сущности. Реально существуют лишь соотношения между петлями.

В каком-то смысле теория петлевой квантовой гравитации работает в достаточно скромном масштабе. Но, рассмотрев ее повнимательнее, начинаешь понимать, что если она и правда соответствует нашей реальности, то не в том смысле, что события происходят в определенном пространстве в течение определенного периода времени, а в том, что Вселенная и все, что в ней есть, – вся материя и энергия – это лишь сосуществующие квантовые поля, перекрывающие друг друга. Причем для существования этих полей не требуется ни пространства, ни времени, поскольку само пространство-время представляет собой одно из этих полей.

Итак, мы пока не можем утверждать, что получили истинную теорию всего; мы также еще не понимаем, как свести воедино квантовую механику и общую теорию относительности. Скорее, у нас есть теории, претендующие на эту роль, которые имеют определенные перспективы, но все же оставляют много вопросов открытыми.

Некоторые блестящие физики посвятили всю свою жизнь разработке одной из таких теорий, однако, как и в случае с различными интерпретациями квантовой механики, здесь все сильно замешано на социологии науки, и мнение о том, какая теория наиболее перспективна, на самом деле зависит от того, с кем ты разговариваешь. Итак, в общих чертах в красном углу ринга – теория струн, которая на данный момент представляется нашей самой удачной попыткой унификации всех четырех сил природы, хотя после более чем 30-летних исследований она все еще является спекулятивной. Действительно, можно сказать, что это еще даже не настоящая научная теория, поскольку она не позволила сделать никаких экспериментально подтверждаемых предположений. А в синем углу ринга – теория петлевой квантовой гравитации, которая кажется наиболее логичным способом квантизации пространства-времени, однако не помогает объединить гравитацию с остальными силами. Мы так и не знаем, какой из двух подходов ближе к истине, следует ли их объединить или, может, поискать какую-нибудь совершенно новую теорию?

И это прямо подводит нас к вопросу о современных проблемах и противоречиях в фундаментальной физике, а также о том, какие открытия могут нас ожидать в ближайшем будущем.

Рис. 4. Унификация – упрощенная схема, иллюстрирующая, как концепты физики (теории, явления, силы) с годами сближались друг с другом. Заметьте, что, хотя хронология соответствует действительности (в направлении слева направо), она не слишком точна. Например, специальная теория относительности расположена прямо под ньютоновской теорией притяжения, хотя последняя появилась на 100 лет раньше

Глава 8. Будущее физики

Замечательные успехи физики в XX веке могут навести на мысль, что нам осталось только разгладить отдельные складки, усовершенствовать экспериментальные методы, нанести завершающие штрихи на наши математические теории – все, что можно, мы уже узнали и надо просто расставить точки над i. Возможно, у вас создалось впечатление, что нам не нужен второй Ньютон или Эйнштейн (или Максвелл, Резерфорд, Бор, Дирак, Фейнман и Хокинг), который мог бы произвести революцию в физике, потому что мы уже находимся на пороге открытия теории всего, которая объяснит все, что происходит во Вселенной.

К сожалению или к счастью, если вы физик-теоретик, только начинающий свою карьеру и ищущий серьезную тему, которой стоило бы заняться, – это совсем не так. Я даже сказал бы, что сегодня мы еще дальше от конца книги под названием «Физика», чем нам это казалось 20–30 лет назад. Мы считаем, что с помощью Стандартной модели можно объяснить все составные части материи и энергии, но теперь мы совершенно уверены, что все, что мы обнаружили, составляет лишь 5 % Вселенной. Остальные 95 %, известные как темная материя или темная энергия, в определенной степени остаются тайной. Мы уверены, что она есть, но не знаем, из чего она состоит и как ее существование согласуется с действующими теориями. В этой главе, наряду с другими важнейшими проблемами физики, я расскажу об исследовании этой тайны.

Темная материя

Скорость вращения галактик, движение целых галактик внутри скопления галактик, а также структура Вселенной в целом – все указывает на то, что существенная ее часть состоит из почти невидимого вида материи. Мы называем ее темной не потому, что она скрыта за другой, видимой материей, и даже не потому, что она на самом деле темная, а потому, что, насколько мы понимаем, она не поддается воздействию электромагнитной силы и, таким образом, не излучает света и не взаимодействует с обычной материей, если не считать гравитацию[28],так что, возможно, ее лучше бы называть невидимой материей. Задумайтесь на минутку, почему, когда вы ударяете рукой по столу, рука не проходит насквозь. Можно подумать, что это само собой разумеется – конечно, причина в том, что и ваша рука, и стол сделаны из твердого материала. Однако не забывайте, что на уровне атомов материя в основном представляет собой пустое пространство – диффузные электронные облака, окружающие крошечное ядро, – так что у атомов, из которых состоит ваша рука, должно быть достаточно возможностей, чтобы проникнуть в промежутки между атомами стола. Этого не происходит из-за электромагнитной силы, действующей между электронами в атомах вашей руки и электронами в атомах стола, которая вызывает отталкивание и создает сопротивление, воспринимаемое нами как твердость. Однако, если бы ваша рука состояла из темной материи, она бы спокойно прошла сквозь стол, как если бы его не было – сила гравитации между ними слишком мала, чтобы оказать сколь-нибудь заметный эффект.

Уже давно известно, что галактики обладают большей массой, чем можно получить, если взвесить всю обычную материю, которая содержится в них в виде звезд, планет, а также межзвездной пыли и газа. В какой-то момент считалось, что темная материя состоит из давно умерших звезд и черных дыр – объектов, содержащих обычную материю, которые, однако, не излучают света. Но сегодня большая часть данных свидетельствует о том, что невидимая материя, скорее всего, представляет собой новый вид материи из новых видов частиц, которые нам еще предстоит открыть.

Первоначально высказывалась мысль, что темная материя объясняет перемещение целых галактических скоплений. Дальнейшие данные были получены на основании того, как движутся звезды внутри спиральных галактик – они кружатся, подобно нерастворившимся кофейным гранулам на поверхности кружки с растворимым кофе, если его помешать ложкой. Большая часть звезд – и, соответственно, большая часть массы в галактике – сосредоточена вокруг ее ядра, что должно заставить звезды у внешней границы галактики двигаться медленнее. Наблюдаемая на самом деле более высокая, чем ожидалось, скорость этих «внешних» звезд заставляет предположить, что здесь задействовано еще какое-то невидимое вещество, которое выходит за пределы видимой материи и создает дополнительный гравитационный «клей», не дающий внешним звездам разлетаться в разные стороны.

Существование темной материи также подтверждается тем, как она «заворачивает» вокруг себя пространство. Это явление проявляется в том, каким образом искривляется траектория света, пока он идет от далеких объектов к нашим телескопам. Степень такого искривления можно объяснить только дополнительным гравитационным искривлением пространства, вызванным темной материей галактик, через которые свет проходит по пути к Земле.

Так что же мы знаем о темной материи кроме того, что она вызывает это необходимое дополнительное притяжение? Разве его нельзя объяснить чем-то менее экзотичным, чем новая форма энергии? Действительно, многие астрофизики полагают, что темная материя не нужна вовсе, но тогда придется допустить, что свойства гравитационной силы на больших расстояниях способны изменяться. Одно из таких предположений, известное под названием MOND (Modified Newtonian dynamics, модифицированная ньютоновская динамика), с первого взгляда может показаться вполне привлекательным. Однако, хотя MOND или другие связанные с ней гипотезы, модифицирующие общую теорию относительности, способны объяснить некоторые из наблюдаемых эффектов, многое они объяснить не могут. Ни одна из этих моделей не соответствует данным, касающимся скоплений галактик, в частности данным о столкновении галактик (знаменитый Пулевой кластер, или кластер Пуля), о детальной структуре космической микроволновой фоновой радиации или о недавно открытых карликовых галактиках.

Существование темной материи также представляется необходимым для объяснения структуры первоначальной Вселенной. В отличие от обычной материи, которая сохраняла высокий уровень энергии благодаря своему взаимодействию с электромагнитным полем, темная материя по мере расширения Вселенной остывала гораздо быстрее и поэтому быстрее начала образовывать гравитационные сгустки. Одним из самых серьезных достижений астрофизики за последние годы стало полученное с помощью компьютерного моделирования подтверждение следующей идеи: объяснить реальную Вселенную можно только в том случае, если в ней действительно содержится большое количество темной материи. Без нее не образовалось бы таких сложных космических структур, которые мы наблюдаем сегодня. Проще говоря, без темной материи большинство галактик, а значит, звезд с планетами никогда бы вообще не сформировалось. Это впечатляющее заключение прекрасно подкрепляется данными, которые свидетельствуют о мельчайших колебаниях температуры в далеком космосе, что является следствием воздействия совсем молодой Вселенной на космическую микроволновую фоновую радиацию. Еще в конце 1970-х годов было признано, что эти колебания в космическом микроволновом фоне, хотя и способствовали зарождению сегодняшнего распределения материи во Вселенной, слишком незначительны, чтобы объяснить, как могли образоваться галактики. Дополнительному комкованию, которое для этого необходимо, способствовало наличие темной материи. Когда спутник СОВЕ[29] установил, что эти колебания совпадают с предсказанными результатами, это стало одним из величайших научных прорывов конца XX века. С тех пор дальнейшие космические миссии помогли нарисовать более точную картину расположения таких «морщин» на космическом микроволновом фоне – например, миссия WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – космический аппарат НАСА для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва), организованная НАСА в первом десятилетии этого века, а затем спутник Планка Европейского космического агентства, запущенный в 2009 году.

Хотя у нас осталось мало сомнений в существовании темной материи, мы все еще не знаем, из чего она состоит. Постоянным источником разочарования для астрофизиков является то, что одновременно с данными в пользу существования темной материи нам так и не удалось установить, что она собой представляет. Общее мнение на данный момент таково, что она состоит из тяжелых (в сравнении с элементарными) частиц нового типа, и экспериментальные усилия до сих пор в основном были сосредоточены на создании сложных подземных детекторов, которые способны зафиксировать такие чрезвычайно редкие события, как непосредственное столкновение частицы темной материи с атомом в детекторе. Пока что в результате этих сложнейших и точнейших экспериментов не зарегистрировано никаких новых сигналов.

И все же физики, занимающиеся поиском темной материи, настроены оптимистично. Скорее всего, окажется, говорят они, что холодная темная материя состоит из медленных тяжелых частиц. И нет конца предположениям о том, что это на самом деле за частицы. Им дают такие прекрасные наименования, как аксионы, стерильные нейтрино, WIMP-частицы[30] и GIMP-частицы[31]. Многие уверены, что скоро появятся и соответствующие экспериментальные данные. Однако об этом мы слышим уже давно.

Здесь я должен сказать пару слов о нейтрино, которые некоторые время считались главными кандидатами на роль элементов темной материи. Это трудноуловимые, но многочисленные частицы, существование которых доказано, хотя они имеют ничтожную массу и практически невидимы. Для того чтобы получить хотя бы 50 %-ный шанс их удержать, понадобился бы свинцовый щит толщиной в один световой год. Вполне можно сказать, что они во всех отношениях являются темной материей. Однако они не могут представлять собой ту темную материю, которую мы ищем, потому что, будучи такими легкими, они перемещаются почти со скоростью света – слишком быстро, чтобы оставаться в пределах галактик и отвечать за их аномальные характеристики. Поскольку нейтрино так быстро передвигаются, мы называем их горячей темной материей.

И как будто физикам не хватало нерешенной проблемы темной материи – во Вселенной обнаружилась новая субстанция, которая играет решающую роль в ее развитии.

Темная энергия

В 1998 году, изучая слабый свет, исходящий от сверхновых звезд в далеких галактиках, астрономы использовали эти данные для того, чтобы рассчитать, с какой скоростью эти галактики удаляются от нас в связи с расширением Вселенной. Выяснилось, что они удаляются медленнее, чем можно было бы предположить, исходя из разделяющего нас расстояния. Поскольку свет, который сейчас доходит до нас из этих галактик, они испускали, когда Вселенная была совсем молодой, то замедленная скорость их удаления означает, что в прошлом Вселенная расширялась более медленными темпами. Таким образом, вместо замедляющегося расширения Вселенной, которое должно происходить вследствие кумулятивного гравитационного притяжения всей находящейся в ней материи, что-то заставляет Вселенную расширяться быстрее, чем в прошлом.

Эту таинственную субстанцию с отталкивающим эффектом, противодействующую гравитации и все быстрее раздвигающую пространство, назвали темной энергией. Насколько мы сейчас понимаем, через много миллиардов лет она может привести к так называемой тепловой смерти Вселенной по мере того, как Вселенная будет все быстрее расширяться и одновременно охлаждаться, стремясь к состоянию термодинамического равновесия. Однако, пока мы не поймем истинную природу темной энергии и вообще не узнаем, какова была Вселенная в самом начале своего существования (см. следующий раздел), мы не должны спешить с выводами относительно ее будущего. Это еще совсем не скоро, а до того может случиться что угодно!

Еще несколько лет назад я бы сказал, что о темной энергии мы знаем меньше, чем о темной материи, но теперь ситуация начинает меняться. В эйнштейновских уравнениях общей теории относительности есть некая величина, известная как космологическая константа (обозначается греческой буквой Λ, или «лямбда»). То, что мы называем темной энергией, скорее всего, является энергией самого пустого пространства – того, что называется квантовым вакуумом. Мы уже знаем, что все в конце концов сводится к теории квантовых полей. Самые различные частицы, образующие материю, будь то кварки, электроны, фотоны или бозоны Хиггса, можно рассматривать как локализованное возбуждение этих квантовых полей, подобно волнам на поверхности океана. Но если бы нам пришлось убрать все частицы из некоего объема, это не привело бы к исчезновению поля. В этом случае мы говорим, что наш объем перешел в свое базовое, или вакуумное, состояние, однако все равно виртуальные частицы в этом вакуумном объеме будут все время то появляться, то исчезать, заимствуя для этого энергию из окружающей среды, но тут же отдавая ее по мере своего исчезновения. Так что сказать, что квантовый вакуум пустого пространства обладает нулевой энергией, – это то же самое, что утверждать, что океан в спокойном состоянии не имеет глубины. Эквивалентом воды под поверхностью океана и является эта темная энергия – космологическая константа.

Однако то, что у нас есть математический символ для темной энергии, еще не значит, что мы полностью понимаем ее природу. Результаты астрономических измерений заставляют предположить, что космологическая константа имеет определенное цифровое значение, но, как и для массы бозона Хиггса в Стандартной модели, мы не знаем, почему она имеет это значение. Это застарелая и наболевшая проблема в физике, которую называют проблемой тонкой настройки. На самом деле все еще хуже, чем кажется. Расхождение между расчетной квантовой энергией, полученной исходя из квантовой теории относительности, и квантовой энергией, полученной на основании космологических измерений, настолько значительно, что стало одной из самых позорных и непонятных проблем физики. Расчетное значение на 120 порядков больше, чем наблюдаемое.

Космологическая модель (эквивалент Стандартной модели в физике частиц), которая объединяет все, что мы сейчас знаем о темной материи и темной энергии, называется моделью ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter, Лямбда-модель холодной темной материи). Подобно тому как самые серьезные квантовые теории поля стали основой для не слишком сплоченного союза, представленного Стандартной моделью физики частиц, общая теория относительности лежит в основе космологической модели ΛCDM.

Есть еще один важный элемент модели ΛCDM, который, как утверждает большинство космологов (но, конечно, не все), нужен для объяснения характеристик наблюдаемой нами Вселенной. Он называется космической инфляцией и дает возможный ответ на вечный вопрос: каково происхождение Вселенной, а также содержащейся в ней материи и энергии?

Инфляция и мультивселенные

Как я упоминал в самом начале книги, на заре своей истории мы уже создавали мифы о происхождении Вселенной. Сегодня физика сорвала покров тайны с этого вопроса. Но была ли какая-то причина, вызвавшая Большой взрыв? Существовал ли какой-то фактор, послуживший спусковым крючком для рождения нашей Вселенной?

Самый простой ответ состоит в том, что до Большого взрыва ничего не было, поскольку именно он и отметил рождение пространства и времени. Стивен Хокинг и Джеймс Хартл выдвинули гипотезу об отсутствии границ, согласно которой по мере нашего продвижения назад, в сторону Большого взрыва, время будет терять свой смысл и превращаться во что-то похожее на пространственное измерение. Таким образом, в точке начала Вселенной мы получаем гладкое четырехмерное пространство. Поэтому бессмысленно спрашивать, что произошло до Большого взрыва, точно так же, как бессмысленно спрашивать, какая точка на поверхности Земли лежит южнее Южного полюса.

Одной модели Большого взрыва недостаточно, чтобы объяснить структуру Вселенной, как мы ее видим сегодня. В частности, полвека назад космологи столкнулись с двумя озадачившими их проблемами. Первую назвали проблемой плоского пространства-времени. Это еще один вопрос тонкой настройки, относящийся к плотности материи и энергии во Вселенной, которая, видимо, имеет как раз нужное значение, чтобы сделать пространство почти совершенно плоским[32].Вторую называют проблемой горизонта. То, что мы можем рассмотреть в космосе, составляет, вероятно, лишь крошечную долю всей Вселенной, поскольку существует горизонт, за который нам не заглянуть. Этот горизонт является границей того, что известно как видимая Вселенная. Он существует потому, что Вселенная не вечна, а свету нужно время, чтобы до нас добраться. Дополнительная трудность в том, что Вселенная расширяется, и на определенном удалении пространство расширяется быстрее, чем проходящий через него свет (это как подниматься наверх по быстро движущемуся вниз эскалатору).

Представьте себе галактику на одном краю видимой Вселенной и другую галактику – на противоположном краю. Из-за расширения Вселенной ни одно мыслящее существо, живущее в любой из этих галактик, не имеет ни малейшего понятия о существовании другой, поскольку свет от одной еще не достиг другой галактики, да и никогда до нее не дойдет. По сути, те области пространства, в которых находятся наши две галактики, никогда не смогут вступить в контакт или обмениваться информацией. Но почему это проблема? Потому, что, куда бы мы ни посмотрели и как бы далеко ни заглянули, Вселенная везде одинакова. Обе галактики кажутся одинаковыми – во всяком случае, нам, находящимся между ними, – с точки зрения их физических характеристик, состава и структуры материи. Как же так может быть, если в прошлом они никогда не контактировали между собой?

Чтобы найти решение этих двух проблем – плоского пространства-времени и горизонта, 40 лет назад была выдвинута концепция космической инфляции. Вот ее суть: когда от момента рождения Вселенной прошли какие-то доли секунды, она испытала короткий период экспоненциального расширения, обусловленного еще одним квантовым полем – инфляционным. В течение этого периода она расширялась с неимоверной скоростью, достигнув размеров в триллионы и триллионы раз больше первоначальных. Это решает проблему тонкой настройки плотности, порождающей плоское пространство-время, которое мы наблюдаем сегодня, поскольку малейшее искривление подверглось растяжению вследствие инфляции.

То, как инфляция помогает решить проблему горизонта, – еще интереснее. Обычное объяснение таково: отдаленные друг от друга участки Вселенной, которые, по-видимому, никогда не имели возможности контактировать друг с другом и, таким образом, синхронизировать свои физические свойства, первоначально были в контакте, однако инфляция привела к такому стремительному расширению пространства, что теперь кажется, что они слишком далеки друг от друга, чтобы между ними когда-либо могли существовать причинно-следственные связи.

Я сказал, что это обычное объяснение, однако, если задуматься, есть два момента, которые кажутся сомнительными, когда мы называем инфляцию стремительным расширением. Во-первых, для того, чтобы удаленные друг от друга части Вселенной могли обмениваться информацией, когда они были ближе, требовалось бы, чтобы они оставались рядом более продолжительное время, а не разлетелись с немыслимой скоростью. Во-вторых, когда в математике что-то характеризуется как экспоненциальное, имеется в виду, что сначала происходят медленные изменения, которые затем ускоряются (и кривая стремится наверх все быстрее). Именно таким образом лучше всего представлять себе первоначальную инфляцию Вселенной. Она началась медленно, а затем ускорилась. Далее в какой-то момент эта экспоненциальная инфляция уступила место тому, что называется степенным законом, когда вместо того, чтобы ускоряться, расширение Вселенной стало опять замедляться – и это до того момента, когда темная энергия ворвалась в формирование Вселенной и снова ускорила ее расширение.

Наверное, вам непонятно, что делает теорию инфляции столь привлекательной и как она должна работать. Поэтому давайте посвятим некоторое время тому, чтобы раскрыть ее содержание.

Чтобы понять, как работает инфляция, надо понимать различие между положительным и отрицательным давлением. Представьте себе, что в руках у вас надутый шарик. Если вы сожмете шарик, вы затратите некоторую энергию на то, чтобы уменьшить объем воздуха в шаре, увеличив тем самым его плотность, причем эта энергия перейдет к молекулам воздуха. Теперь представьте себе противоположный процесс: отпустите шарик так, чтобы он снова расширился до своего первоначального размера, а плотность воздуха внутри шара уменьшилась. Теперь энергия молекул воздуха тоже должна упасть до своего первоначального уровня[33].Таким образом, когда объем воздуха внутри шара увеличивается, его энергия уменьшается. Так обстоят дела с нормальным, положительным давлением: по мере роста объема энергия падает.

Но что, если наполнить шарик необычным веществом, которое ведет себя противоположным образом? Что, если при увеличении объема его энергия не падала бы, а оставалась прежней и количество энергии на единицу объема оставалось бы прежним, так что общий уровень энергии возрастал бы? Это мы и имеем в виду, когда говорим об отрицательном давлении: уровень энергии шарика повышается не при сжатии, а при увеличении объема. Самый яркий пример тому из обычной жизни – резиновая лента: растягивая ее, вы увеличиваете ее энергию.

Именно это и происходит с инфляционным полем в космическом пространстве: оно похоже на резиновую ленту и обладает тем же свойством – каждый раз, когда объем пространства увеличивается вдвое, его общая энергия тоже удваивается, чтобы сохранить постоянную плотность поля. Так что инфляционное поле обеспечивает Вселенную энергией точно так же, как вы сообщаете энергию резиновой ленте, когда ее растягиваете.

Здесь вы должны задать два вопроса. Во-первых, почему инфляционное поле вызывает расширение космического пространства? Ведь резиновая лента не растягивается сама по себе. И во-вторых, откуда берется энергия, которую генерирует инфляционное поле? На оба вопроса можно найти непростые, но логически обоснованные ответы, и кроются они, как вы понимаете, в уравнениях общей теории относительности.

Полевые уравнения Эйнштейна говорят о том, что, кроме массы и энергии, гравитация может быть связана с давлением. Поэтому молекулы воздуха в шарике, находящиеся под положительным давлением, порождают нормальную силу притяжения, а вещество с отрицательным давлением вызовет противоположный эффект – антигравитацию, которая будет приводить к расширению, а не к сжатию. Инфляционное поле обладает тем свойством, что отталкивающий эффект его отрицательного давления (антигравитации) сильнее, чем нормальное притяжение, вызываемое его энергией, и это вызывает расширение космического пространства нарастающими темпами.

Что касается того, откуда изначально взялась энергия инфляционного поля, то она заимствуется из его собственного гравитационного поля. Вспомните о мячике на макушке холма: он обладает запасом потенциальной энергии, которая при скатывании вниз превращается в кинетическую. Однако мячик, скатившийся с горы, не обладает потенциальной энергией, тогда как мячик, упавший в яму, обладает отрицательной потенциальной энергией (поскольку для того, чтобы поднять его на поверхность, требуется некоторая энергия). Похоже на то, что наша Вселенная началась с отсутствия какого-либо пространства или энергии, а квантовые колебания заставили ее спуститься по гравитационному «склону». Двигаясь вниз, она накапливала положительную энергию, которая по мере спуска на гравитационную равнину компенсировалась увеличением отрицательной потенциальной гравитационной энергии (рис. 5). Космологи называют это «Вселенная как бесплатный обед», то есть нечто, возникшее из ничего. Это очень остроумный ответ на вопрос о том, откуда изначально взялись материя и энергия.

Рис. 5. Инфляция – Вселенная накопила положительную энергию (из которой образовалась материя), «скатываясь» с гравитационного «склона» потенциальной энергии, в то же время расширяя свой объем

Другой способ понять, почему гравитационная энергия является отрицательной, иллюстрируется следующим примером: начните с двух масс, находящихся на бесконечном расстоянии друг от друга, между которыми гравитационная энергия равняется нулю. По мере приближения друг к другу они постепенно наращивают гравитационное притяжение, однако эта гравитационная энергия является отрицательной в том смысле, что для того, чтобы их растащить и вернуть к изначальному нулевому энергетическому уровню, вам пришлось бы затратить положительную энергию.

Когда инфляция закончилась, энергия инфляционного поля преобразовалась в нормальную энергию, которая конденсировалась во всю материю, присутствующую вокруг нас. Все вещество Вселенной было создано из энергии, заимствованной у гравитационного поля – важнейшего фактора в создании Вселенной.

Однако то, что инфляционная теория помогает решить эти космологические проблемы, еще не значит, что она верна. Хотя большинство космологов поддерживают эту теорию, есть и такие, кто с ней не согласен, кроме того, остаются и некоторые непростые вопросы, на которые ответов еще нет. Одним из критиков инфляционной теории является давний соратник Стивена Хокинга Роджер Пенроуз. Вместо инфляции Пенроуз предложил свою собственную модель под названием «конформационная циклическая космология», согласно которой Вселенная проходит через бесконечное количество эпох, причем каждая начинается с фазы, напоминающей Большой взрыв. В конце каждого цикла, после того как испаряются даже черные дыры, остается только тепловое излучение. И это, предполагает Пенроуз, похоже на ровное высокоэнергетическое излучение, которое заполнило бы Вселенную сразу после Большого взрыва, а после установления сложной связи между низкой энтропией первоначальной Вселенной и высокой энтропией в конце (ибо ничто не избежит действия второго закона термодинамики) можно присоединить конец одного эона (эры) к другому и увидеть, как все снова начинается с Большого взрыва. Достаточно сказать, что это предположение еще более противоречиво, чем теория инфляции.

Поскольку мы уже далеко залезли в область предположений, зачем останавливаться? В настоящий момент в космологии пользуется популярностью идея вечной инфляции. Согласно этому сценарию, наша Вселенная – просто маленький пузырь в бесконечном пространстве более высокоуровневых измерений, известном как Мультивселенная, которая вечно подвергается инфляции. Тогда Большой взрыв, который создал нашу Вселенную, являлся лишь квантовым колебанием, произошедшим 13,82 миллиарда лет назад. Благодаря этому в вечно расширяющемся пространстве образовался наш пузырь. Пространство внутри него – наша Вселенная – перестало подвергаться инфляции, и расширение его замедлилось до более спокойных темпов, тогда как Мультивселенная снаружи продолжает подвергаться стремительной инфляции. Таким образом, вместо очень короткого периода инфляции, имевшего место после Большого взрыва, теперь наша ситуация изменилась на противоположную: Большой взрыв отмечает конец инфляции в нашей части Мультивселенной.

Более того, вечная инфляция говорит о том, что внутри Мультивселенной могут возникнуть и другие вселенные-пузыри – возможно, бесконечное их количество, – которые будут вечно существовать отдельно друг от друга и стремительно разбегаться из-за постоянно расширяющегося гравитационного поля.

У этой идеи есть еще одна положительная сторона, которую многие физики находят очень привлекательной. Я уже говорил, что физики не любят тонкой настройки, то есть отсутствия каких-либо основополагающих причин для того, чтобы некие физические величины имели именно те значения, которые они имеют. Это хорошо видно при взгляде на наши важнейшие константы: они имеют ровно те значения, которые позволяют существовать такой Вселенной, как наша. Если бы сила притяжения была чуть слабее, галактики и звезды никогда бы не сформировались, а если бы заряд электрона оказался чуть больше, атомы «обвалились» бы и сложная материя не могла бы существовать. Так вот, теория вечной инфляции Мультивселенной отвечает на вопрос: почему наша Вселенная так тонко настроена, что она подходит для существования звезд, планет и самой жизни? Ответ заключается в том, что возможно существование различных вселенных-пузырей, причем все будут подчиняться одним и тем же законам физики, но каждая будет иметь свой собственный набор фундаментальных физических констант. Просто так уж случилось, что мы находимся во Вселенной, абсолютно соответствующей требованиям возникновения жизни, и можем размышлять о том, как нам все-таки повезло.

Чтобы избежать путаницы, здесь я должен добавить, что эти вселенные-пузыри – совсем не то же самое, что параллельные реальности Мультивселенной в одной из интерпретаций квантовой механики, которые обязаны своим существованием различным результатам измерений квантового мира. Вселенные-пузыри в теории вечной инфляции – не параллельные, перекрывающие друг друга реальности; они совершенно не зависят друг от друга.

Рис. 6. Как бесконечное пространство может поместиться в конечном объеме? Два взгляда на нашу Вселенную: «снаружи» у нее всегда конечный объем. А для нас, в нашем пространстве-времени, ось пространства искривлена и направлена по оси времени в бесконечность. Нам же кажется, что все времена совпадают, что и дает нам ощущение бесконечного пространства

И, прежде чем пойти дальше, я хочу еще сказать вот что. Можно озадачиться вопросом, является ли наша Вселенная бесконечной по протяженности (хотя мы и не можем заглянуть за ее горизонт) – это ведь возможно. Тогда как же бесконечное пространство помещается внутри конечного пузыря, плавающего в Мультивселенной наряду с другими вселенными-пузырями? Ответ будет неожиданным: для нас, находящихся внутри, Вселенная может быть бесконечной по протяженности, но конечной во времени. Однако это только потому, что внутри нашего пузыря искаженное представление о пространстве и времени. «Снаружи» наша Вселенная оказалась бы конечной по размеру, но бесконечной во времени (рис. 6). Это очень точный (хотя, уж простите, концептуально непростой) способ понять, как бесконечное пространство может поместиться в конечном объеме.

Информация

Один момент, о котором я еще ничего не говорил, но который объединяет все три столпа фундаментальной физики – квантовую механику, общую теорию относительности и термодинамику, касается роли информации в современной физике. Сейчас стало понятно, что информация – это больше, чем просто абстрактное понятие, ее можно точно измерить (или дать точную количественную оценку).

Некоторое время назад Стивен Хокинг сформулировал вопрос: что происходит с информацией, например с этой книгой, если бросить ее в черную дыру? Книга, конечно, пропадет, а как насчет содержащейся в ней информации? Я имею в виду информацию, которую содержат слова в книге. Дело в том, что согласно законам квантовой механики информацию нельзя уничтожить, она всегда должна сохраняться[34]. Хокинг описывает, как черная дыра медленно испаряется, теряя энергию в виде так называемого «излучения Хокинга», а согласно квантовой механике эта радиация содержит всю информацию, поглощенную черной дырой, включая информацию, необходимую для восстановления этой книги. Уверены ли мы в этом? Опять же только окончательный вариант теории квантовой гравитации позволит нам поставить точку в этом вопросе.

Исследование математики черных дыр также позволило сделать вывод, что максимальное количество информации, которое можно сохранить в определенном объеме пространства, пропорционально не самому объему, как можно было бы ожидать, а площади поверхности, ограничивающей этот объем. Эта идея известна как голографический принцип и превратилась в мощный инструмент теоретической физики. По сути, она обязана своим существованием глубинной связи между информацией и энергией. Наращивая объем информации, хранящейся в определенном объеме пространства, вы увеличиваете его энергию. А поскольку энергия – эквивалент массы, это означает и усиление гравитационного поля до того момента, пока наш пространственный объем не схлопнется в черную дыру. Голографический принцип утверждает, что теперь вся информация будет закодирована на ровном горизонте черной дыры. Считается, что эта идея работает даже для информации, необходимой для описания Вселенной. Похоже, что роль информации при попытке объединения трех столпов физики будет только возрастать.

ЭР = ЭПР

В 2013 году два ведущих физика, Хуан Мальдачена и Леонард Зюскинд, выдвинули еще одну идею, связанную с попыткой унификации гравитации и квантовой механики. Хотя еще очень рано судить об их правоте, я не могу не упомянуть об этой теории. Она известна как ЭР = ЭПР. Ее суть такова: между квантовой запутанностью (двумя связанными в пространстве частицами) и «червоточинами» в пространстве-времени может существовать глубинная связь. Замечу, однако, что ЭР = ЭПР, несмотря на то что в нем стоит знак равенства, – это не алгебраическое уравнение (иначе вам могло бы прийти в голову сократить Э и Р в обеих его частях, получив в результате П = 1, что бессмысленно). На самом деле буквами закодированы имена авторов (Эйнштейн, Подольский и Розен) двух классических работ, опубликованных в 1935 году с интервалом всего в несколько недель.

Эти две работы прежде считались совершенно не связанными друг с другом. ЭР – это Эйнштейн и Натан Розен, которые высказали предположение, что две черные дыры могут быть связаны неким туннелем, находящимся вне нашего измерения, что следует из уравнений общей теории относительности. ЭПР – это код второй статьи, которую первые два автора опубликовали вместе с Борисом Подольским. В ней они высказали свои сомнения относительно идеи запутанности в квантовой механике – того, что Эйнштейн называл жутким дальнодействием. Мальдачена и Зюскинд предположили, что обе эти фундаментальные идеи, о «червоточинах» и о запутанности, могут на самом деле быть двумя сторонами одного и того же явления. Время покажет, на правильном ли они пути.

Кризис в физике?

Удастся ли нам когда-нибудь прийти к полному пониманию реальности, или мы всегда будем снимать слой за слоем с этой луковицы и при этом открывать все новые и новые истины? До сих пор так оно и было. Сначала мы обнаружили, что все состоит из атомов, затем – что все эти атомы состоят из еще более мелких частиц – электронов, вращающихся вокруг плотных ядер. Далее мы заглянули в само ядро и открыли, что оно построено из еще более мелких строительных блоков – протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из мельчайших кварков, причем последние сами являются проявлением энергетических полей или, возможно, еще более мелких вибрирующих струн, находящихся в иных измерениях. Будет ли этому конец?

Некоторые физики-теоретики, ослепленные красотой своих уравнений, двинулись дальше, выдвигая все более экзотические идеи, которые становится все труднее протестировать экспериментально. Можно опираться только на их объяснительную силу и математическое изящество – конечно, очень важные критерии, однако не принадлежащие к традиционным способам обоснования научных теорий. Поэтому вместо того, чтобы одобрительно хлопать друг друга по плечу по поводу того, как далеко мы уже продвинулись, стоит подумать о том, что, возможно, мы слишком далеко ушли от самой физики.

Многие физики будут утверждать, что последние несколько лет оказались чрезвычайно интересными с точки зрения фундаментальной науки, учитывая широко известное открытие в 2012 году бозона Хиггса благодаря Большому адронному коллайдеру, за которым в 2016 году последовало обнаружение гравитационных волн в LIGO (Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории), США. Но правда в том, что оба эти учреждения, пусть даже имеющие чрезвычайное значение, всего лишь подтверждают предположения, уже давно выдвинутые теоретиками – 50 лет назад в случае с бозоном Хиггса и целый век в случае с гравитационными волнами. Я знаю, что это звучит более чем снисходительно, и совсем не хочу приуменьшить значение выдающихся достижений физиков-экспериментаторов, которые сыграли свою роль в этих двух замечательных открытиях. Однако, когда я говорю «всего лишь», я имею в виду, что мало кто из физиков сомневался, что эти предположения будут подтверждены. В случае с Хиггсом, хотя открытие бозона Хиггса в 2012 году и было уже на следующий год отмечено Нобелевской премией, премия все-таки досталась теоретикам, в 1960-е годы предложившим эту идею, а не экспериментаторам, которые получили подтверждение идеи.

Похоже, что сейчас я должен провести более четкую границу между открытием бозона Хиггса, с одной стороны, и гравитационных волн – с другой. Первое ни в коем случае не было предрешенным; некоторые физики, включая Стивена Хокинга, до 2012 года сомневались в его существовании. Наоборот, открытие гравитационных волн оказалось совершенно ожидаемым, поскольку его предсказывали не только на основании общей теории относительности, но и непосредственно наблюдали много лет назад при изучении поведения двойных пульсаров (пар нейтронных звезд, вращающихся вокруг друг друга).

Вообще-то, если взглянуть на последние лет тридцать и проанализировать самые интересные открытия в области теоретической физики, такие как верхний кварк, конденсаты Бозе – Эйнштейна, квантовая запутанность, слияния нейтронных звезд и экзопланеты, можно с уверенностью утверждать, что ни одно из них не было совершенно неожиданным. По сути, только одно открытие в области физики за этот период оказалось таковым (во всяком случае, для астрономов, если не для всех космологов) – это открытие в 1998 году темной материи. В иных случаях, когда дело доходит до тестирования наших теорий и моделей на дальних рубежах фундаментальной физики – в квантовых и космических масштабах, всюду царит экспериментальная тишина. Многие идеи и спекулятивные теории, о которых я упоминал в этой главе, вполне могут оказаться верными. Однако стоит подчеркнуть, что традиционные виды экспериментов, которые до сих пор позволяли подтвердить или отвергнуть какую-нибудь научную теорию, вряд ли в будущем помогут нам удостовериться в верности новых идей.

Когда в 2010 году запустили Большой адронный коллайдер (БАК), он просто стал последним из целого ряда ускорителей частиц, которые начали создавать почти за 100 лет до этого, сталкивая субатомные частицы на все более высоких энергетических уровнях. Физики уже давно ожидали введения в строй самого мощного коллайдера в надежде, что он поможет ответить на ряд насущных вопросов и избавиться от белых пятен в Стандартной модели. Но прежде всего этот коллайдер должен был обнаружить бозон Хиггса, что он и сделал – безусловно, большой успех и оправдание огромнейших затрат на проект. Но с тех пор больше ничего не было обнаружено, и стало нарастать разочарование как со стороны ученых, работающих в других областях и завидовавших финансированию ЦЕРН, так и со стороны физиков-теоретиков, которые с нетерпением ожидали подтверждения своих последних прогнозов.

А как насчет самого бозона Хиггса? Какие новые откровения относительно природы материи связаны с ним? Стоит отметить, что бозон Хиггса – это лишь проявление (возбуждение) более фундаментального поля Хиггса – еще одного квантового поля, которым пронизано все пространство и которое является элементом Стандартной модели, поскольку то, как остальные частицы проходят через поле Хиггса, обусловливает наличие у них массы. Например, бозоны W и Z, носители слабого взаимодействия, без него не имели бы массы, и именно механизм Хиггса объясняет, как они ее приобретают – через взаимодействие с полем Хиггса определенным образом, чего не может, например, сделать фотон.

Решающее доказательство существования поля Хиггса было найдено не с помощью непосредственного его наблюдения, а опосредованно, с помощью создания едва уловимого кванта этого поля – бозона Хиггса.

Открытие бозона Хиггса было замечательным достижением. Однако, по правде говоря, эту галочку стоило поставить давно. Поле Хиггса завязано на Стандартную модель, которая тем самым получила надежное подкрепление. Но дело в том, что это открытие не дало никаких новых перспектив в области фундаментальных физических исследований, поскольку не продвинуло наши познания за пределы уже известной нам физики. Стандартная модель остается теми рамками, в которых мы трактуем компоненты материи, однако эта теория не отличается стройностью или прогностической способностью.

Конечно, предстоит еще «просеять» много данных, полученных во время последнего прогона БАКа в декабре 2018 года, так что мы еще можем обнаружить что-то новое. Однако факт остается фактом: перед нами стоит множество вопросов, и для этого, вероятно, придется выйти за пределы того, что может БАК. Почему гравитация настолько слабее, чем другие силы? Почему существует всего три поколения кварков и лептонов? И откуда берется сама масса бозона Хиггса? Возможно, самый насущный вопрос, а поэтому и самый неприятный, поскольку ответ так и не найден: суждено ли нам найти доказательства существования суперсимметрии?

То, что мы хотим, чтобы теория суперсимметрии оказалась верной, не делает ее таковой. Конечно, она решает много проблем и помогает многое понять. К тому же она изящна, логически выстроена и приятна с эстетической точки зрения. Но чем дольше мы не можем найти экспериментального подтверждения теории струн, тем большее разочарование это вызывает. В то же время критики теории утверждают, что эта область привлекает самые умные головы, потому что с ней связаны хорошие рабочие места. Молодые исследователи чувствуют себя увереннее, когда идут по пути, проложенному их наставниками: понятно их опасение потерять финансирование и возможность продвигаться по службе. Тем временем физические факультеты университетов, конкурируя в борьбе за скудные ресурсы, рассматривают теорию струн как дешевый способ оставаться в авангарде физических исследований. Но пока движение вперед идет очень медленно и нет никаких экспериментальных данных, которые подкрепили бы усилия исследователей, голоса оппонентов будут звучать все громче.

Некоторые могут полагать, что если теория суперсимметрии верна, то БАК уже должен был найти этому подтверждение. Самый элементарный класс моделей суперсимметрии (то, что называется ограниченной минимальной симметрией) уже начинает вызывать сомнения. Однако это не означает, что мы отказываемся от идеи суперсимметрии – возможно, мы просто ищем подтверждение не там. В конце концов, эта идея входит в число любимых не только у сторонников теории струн. Более «приземленные» исследователи, занимающиеся физикой частиц, также хотели бы знать, является ли наш мир суперсимметричным. Суперсимметрия позволяет нам понять связь между электрослабым и сильным ядерным взаимодействием, описываемым квантовой хромодинамикой. Она также объединяет материальные частицы и частицы – носители взаимодействия. С ее помощью даже можно объяснить, почему бозон Хиггса обладает определенной массой. Но решение всех этих проблем нивелируется появлением новых: если верить теории суперсимметрии, существует целый ряд частиц, который нам еще предстоит открыть.

Конечно, следует добавить, что если мы докажем верность теории суперсимметрии, то получим неплохой бонус: самая легкая из этих частиц, существование которых нам еще предстоит подтвердить, абсолютно подходит на роль основы для темной материи.

Причины для оптимизма

Тем временем физики-теоретики отнюдь не сидели сложа руки, ожидая новостей от своих коллег-экспериментаторов. Так и не дождавшись ничего нового, увлеченные великолепием своего математического аппарата, они устремились вперед. Не успел Эдвард Виттен в 1990-х годах предложить новую версию теории струн (М-теорию), как в 1997 году Хуан Мальдачена выдвинул новую мощную идею. Она известна под названием теории калибровочной/гравитационной дуальности (или, если использовать технический термин, теории AdS/CFT[35]) и описывает, как струны в теории струн соотносятся с полевыми теориями, касающимися трех видов квантового взаимодействия. Эта математическая идея позже получила более широкое распространение и стала применяться для решения задач в других областях теоретической физики, таких как гидродинамика, кварк-глюонная плазма и конденсированное состояние, а работа Мальдачены стала одной из основополагающих в современной теоретической физике и на сегодня набрала 17 000 цитирований в других статьях.

Мощные идеи, подобные теории калибровочной/гравитационной дуальности, убеждают многих физиков в том, что теория струн – тот путь, по которому надо двигаться дальше. Но даже если окажется, что она не является верной теорией квантовой гравитации, она сделала большое дело – обеспечила физиков полезным и точным математическим инструментарием для доказательства того, что на самом деле существует способ последовательного объединения квантовой механики и общей теории относительности, так что у нас появляется надежда, что такая унификация в принципе возможна. Но факт остается фактом: теория калибровочной/гравитационной дуальности или теория струн не становятся верными только оттого, что они прекрасны с математической точки зрения.

Тогда что нам поможет получить окончательный ответ на наш вопрос? Может, теория струн или исследователи, работающие над теорией квантовой информации, которые пытаются создать квантовые компьютеры, а может быть, теория конденсированного состояния. Становится все более ясно, что во всех этих областях применим один и тот же математический аппарат. В поисках верной теории квантовой гравитации нам, возможно, даже не понадобится квантовать гравитацию. Вероятно, попытки силой сблизить теорию квантового поля и общую теорию относительности – не совсем верный путь. Есть некоторые свидетельства в пользу того, что теории квантовых полей содержат в себе сущность искривленного времени-пространства и что общая теория относительности может оказаться ближе к квантовой механике, чем мы всегда себе представляли.

Очень хотелось бы знать, какие из многих научных идей, о которых шла речь в этой главе, окажутся верными, а что придется выбросить в мусорный бак как ложные. Лично для меня важнейший вопрос физики, мучивший меня в течение всей моей профессиональной жизни и на который еще нет ответа, таков: какая из интерпретаций квантовой механики является верной? В главе 5 я упомянул несколько возможных вариантов и сказал, что многие физики считают, что это чисто философский вопрос, поскольку он не помешал применять квантовую механику на практике и не замедлил прогресса в физике. Однако все большее количество ученых, включая и вашего покорного слугу, приходят к выводу, что квантовая механика – чрезвычайно важная область физики, и предполагают, что решение давней загадки правильной интерпретации в конечном счете приведет к рождению новой физики. Возможно, этот вопрос даже связан с парой других важнейших проблем фундаментальной физики, таких как природа времени или окончательный вариант теории квантовой гравитации.

Иногда кажется, эти препятствия так трудно преодолеть, что я бы не удивился, если бы нам для этого понадобился мощный искусственный интеллект. Вероятно, созданный нами ИИ окажется следующим Ньютоном или Эйнштейном, а нам придется признать, что наш ничтожный человеческий мозг просто недостаточно хорош, чтобы нам удалось самостоятельно познать конечную природу реальности, в которой мы живем[36].

Эту главу я посвятил будущему науки, в основном отношению математической физики и физики экстремальной, в мельчайшем и в крупнейшем масштабах. Но разве это справедливо? Разве это и есть настоящие современные рубежи? Успехи физики не должны касаться только всего самого мелкого и самого крупного: масштабы реальной жизни (с позиции размеров и энергии) представляют не меньший интерес. Вообще, с точки зрения того, как физика изменит нашу жизнь в XXI веке, особенный интерес вызывают физика конденсированного состояния и квантовая оптика, а также области, в которых физика соприкасается с химией, биологией и техникой. Поэтому я попробую на примере этих областей науки показать в следующей главе, как применение физики на практике изменяет наш мир. Мы исследуем, как скажут некоторые, более практически ориентированные аспекты физической науки.

Глава 9. Полезность физики

Где бы вы сейчас ни были, оглянитесь вокруг. Как много из того, что мы, люди, уже создали и построили, стало возможно только благодаря нашему понимаю законов природы: сил, участвующих в формировании мира, и свойств материи, на которые эти силы воздействуют. Поэтому невозможно перечислить все области применения физических знаний – все хитроумные изобретения современного мира, которые обязаны своим возникновением открытиям, сделанным физиками на протяжении многих веков[37]. Поэтому я сосредоточусь всего на двух темах. Первая – это то, в какой степени физика определяет многие другие дисциплины, как фундаментальные, так и прикладные, как она взаимодействует и даже «сливается» с ними, а также какова ее роль в развитии новых междисциплинарных областей. Вторая – краткий обзор новых возможностей, которые, безусловно, реализуются в результате текущих исследований, причем основное внимание будет уделено потрясающим перспективам развития новых квантовых технологий.

После всего, что мы с вами уже обсудили на страницах книги, вполне уместно спросить: хорошо, мы понимаем, что физики поглощены идеей унификации математических принципов, управляющих природными процессами, тем самым отдавая должное вечному стремлению человечества понять Вселенную, – а дальше-то что? Уж конечно, подумаете вы, открытие бозона Хиггса не может иметь никакого непосредственного влияния на нашу реальную жизнь, да и долгожданная теория квантовой гравитации не покончит с бедностью и болезнями. Но так рассуждать неверно. Удовлетворение нашего научного любопытства в рамках фундаментальной науки уже неоднократно приводило к революционным технологическим прорывам. Большинство исследователей, особенно те, кто работает в академической науке, обычно мотивированы не потенциальной возможностью приложения своих результатов. Если обратиться к знаменитым научным открытиям, которые позже принесли большую практическую пользу, вы увидите, что причиной многих из них было исключительно горячее желание исследователей понять наш мир и удовлетворить свою любознательность ученого.

Давайте сравним физику и инженерное проектирование. Будущий инженер-механик или электротехник изучает многие из тех предметов, что и студент-физик: механику Ньютона, электромагнетизм, вычислительную технику и математику, необходимую для решения определенного типа уравнений, которые постоянно применяются в их области. Действительно, многие прикладные физики в конце концов приходят на работу в инженерные отрасли, что еще больше размывает границы между этими двумя сферами деятельности. Однако физики задают вопрос «почему?» или «как?» с целью обнаружить принципы, управляющие природными процессами, а инженер опирается на эти принципы и старается использовать свои знания для того, чтобы улучшить наш мир. И физики, и инженеры решают свои задачи, но мотивы у них различные.

Приведу конкретный пример: блестящее техническое достижение – спутниковые навигационные системы (из них важнейшая за последние десятилетия – американская GPS) отлично демонстрируют роль фундаментальной физики, открытия которой легли в основу технических разработок. Системы GPS стали неотъемлемой частью нашей жизни. Теперь само собой разумеется, что мы не заблудимся в незнакомой местности. Более того, GPS помогла нам увидеть планету сверху и картографировать ее в мельчайших деталях; мы получили возможность наблюдать, как изменяется климат Земли, и прогнозировать естественные явления природы, что помогает нам избежать катастроф. В будущем спутники глобального позиционирования объединятся с системой искусственного интеллекта, что приведет к изменению транспорта, сельского хозяйства и других отраслей. Однако без знаний, полученных на основании фундаментальных физических исследований, создание GPS было бы невозможно. Например, атомные часы на борту спутников, которые нужны для того, чтобы обеспечить точное определение нашего местоположения на Земле, работают только потому, что инженеры поняли, как учесть квантовую природу атомных вибраций наряду с релятивистскими корректировками скорости течения времени, а ведь эти знания следуют из теории Эйнштейна.

Есть множество других примеров того, как на стыке физики и инженерного проектирования возникают новые отрасли, которые позволяют изменять наш мир. Причем инженеры не единственные, с кем физики давно и тесно сотрудничают. Сегодня мы работаем совместно с учеными из самых разнообразных отраслей, таких как медицина, нейробиология, информатика, биоинженерия, геология, экология и космическая наука. А еще физики применяют свое знание логики и математики и навыки решения задач за пределами физической науки в самых разных сферах, от политики до финансов.

Когда физика, химия и биология встречаются друг с другом

В течение всего развития науки наблюдалось пересечение физики и родственной дисциплины – химии. И правда, некоторые величайшие ученые своего времени, включая Майкла Фарадея, занимались обеими науками. И это касается не только химии; значительна роль физики и в развитии, например, биологии. Физики проявляют интерес к широкому спектру биологических проблем; в результате возникла необычайно увлекательная научная область под названием «биофизика». Но является ли биофизика отраслью физики или это частный случай применения физических методов к биологии? И имеет ли это различие какое-либо значение? Если физика в конечном счете лежит в основе химии и химических процессов, а явления, происходящие внутри организма, и сами представляют собой химические процессы, только более сложного уровня, то из этого, безусловно, следует, что и в основе биологии лежит все та же физика. В конце концов, все сущее, живое и неживое, состоит из атомов и подчиняется законам физики.

В попытке найти и сформулировать фундаментальные принципы, управляющие биологическими процессами, физики, как это им свойственно, задались вопросом, что же отличает живое от неживого, учитывая, что и то и другое состоит из одинаковых элементов. Ответ кроется собственно в самой физике: жизнь обладает способностью поддерживать себя в состоянии низкой энтропии, далекой от теплового равновесия, а также сохранять и обрабатывать информацию. Таким образом, создается ощущение, что понимание того, что особенного есть в жизни, должно прийти из фундаментальной физики. Когда я пишу эти слова, я легко представляю себе, как мои коллеги-химики и биологи закатывают глаза от возмущения перед этим свидетельством типичного для физиков чувства собственной значимости. С другой стороны, верно и то, что многие открытия в биологии и генетике принадлежат физикам, включая Лео Силарда, Макса Дельбрюка и Фрэнсиса Крика. В частности, на Крика, который вместе с Джеймсом Уотсоном и Розалиндой Франклин открыл двухспиральную структуру ДНК, оказал большое влияние физик Эрвин Шредингер, замечательная книга которого «Что такое жизнь?», выпущенная в 1944 году, и сейчас весьма актуальна.

С прикладной точки зрения физики активно участвовали в разработке многих технологий, которые применяются для исследования живой материи, начиная с рентгеновской дифракции и кончая МРТ. Даже скромный микроскоп, без которого не смогла бы обойтись ни одна лаборатория, был изобретен в XVII веке после сотен лет исследования природы света и того, как его можно преломлять и фокусировать посредством линз. Причем оба изобретателя, Антуан ван Левенгук и Роберт Гук, использовали микроскоп для изучения живых организмов. И правда, если проанализировать огромный вклад в науку, сделанный Гуком, то обнаружится, что согласно нынешним взглядам он скорее был физиком, чем биологом.

В последние 20 лет мой интерес вызывает одна новейшая область исследования, которая называется квантовой биологией. Как мы уже говорили, вся материя в конечном счете состоит из атомов, а следовательно, на глубинном уровне подчиняется законам квантового мира, как и все остальное во Вселенной. Это, конечно, само собой разумеется. Но квантовая биология скорее касается последних исследований в области теоретической физики, экспериментальной биологии и биохимии, которые заставляют предположить, что некоторые из самых парадоксальных идей квантовой механики, таких как туннелирование, суперпозиция и запутанность, могут играть важную роль в функционировании живой клетки. Для объяснения ключевых результатов экспериментов в области функционирования ферментов или процесса фотосинтеза, по-видимому, требуется обращение к квантовой механике. Для многих ученых это стало огромным сюрпризом; они отказываются верить, что жизненные процессы могут зависеть от таких неуловимых и непредсказуемых факторов, и многие из этих идей все еще подвергаются тщательному анализу. Однако не будем забывать, что у жизни на Земле было почти четыре миллиарда лет, чтобы найти пути развития, дающие ей какие-то преимущества. Если квантовая механика может сделать определенный биохимический процесс или механизм более эффективным, то эволюционная биология им обязательно воспользуется. И это не волшебство, это… ну да, это просто физика.

Квантовая революция продолжается

В XX веке (и в начале XXI столетия) у нас уже нет сомнений в том, что квантовая механика играет огромную роль в нашей жизни, хотя она оперирует масштабами гораздо меньшими, чем могут уловить наши органы чувств. Поскольку она так успешно объясняет явления субатомного мира, эта наука стала основой не только физики и химии, но и современной электроники. Например, понимание квантовых законов, объясняющих, как электроны ведут себя в полупроводниках, заложило основы мира современных технологий. Без полупроводников мы не создали бы транзистор, а позже – микрочип и компьютер. А миниатюрный суперкомпьютер, который мы всюду носим с собой (наш смартфон) и без которого многие чувствуют себя совершенно потерянными, просто набит электронными чудесами, и все это невозможно без квантовой механики. То же относится к давно знакомым нам приборам вроде современных светодиодов и датчиков дыма, ну и, конечно, интернета. И действительно, вся телекоммуникационная промышленность основана на технологическом применении квантовой механики в таких приборах, как лазер и оптический усилитель. И ни одна современная больница не обойдется без МРТ, ПЭТ и КТ, а также лазерной хирургии.

А ведь квантовая революция еще только началась. В ближайшие десятилетия мы увидим море технологических чудес, разработанных на основе современных достижений квантовой физики, таких как умные и топологические материалы. Возьмем графен, например: один-единственный слой атомов углерода с шестиугольной кристаллической структурой. В зависимости от того, какой он формы и что с ним делают, графен работает то как изолятор, то как проводник, а иногда даже как полупроводник.

Более того, последние исследования позволяют предположить, что два слоя графена, развернутые под определенным углом друг к другу, могут при определенных условиях, при низкой температуре и слабом электрическом поле, вести себя как суперпроводник, по которому ток идет практически без всякого сопротивления, – еще один поразительный квантовый феномен. Эта технология, известная как твистроника, как считается, даст толчок развитию целого ряда электронных приборов.

И это еще не все. Сейчас разрабатываются проборы и технологии нового поколения, которые получат широкое распространение еще при нашей жизни, – приборы, которые смогут создавать необычные состояния материи и манипулировать ими неким новым образом за счет применения разных квантовых ухищрений. Успехи в таких областях, как квантовая информационная теория, квантовая оптика и нанотехнологии, позволят создать целый ряд таких приборов. Например, высокоточный квантовый гравиметр позволит регистрировать мельчайшие изменения гравитационного поля Земли, так что геологам будет проще обнаружить залежи полезных ископаемых, а инженерам – точно установить местоположение трубопровода под дорожным полотном: копать не придется! Квантовые камеры, снабженные датчиками, дадут нам возможность увидеть, что находится позади препятствий; квантовая визуализация даст неинтрузивное отображение мозговой деятельности, что позволит лечить, например, деменцию. Квантовая ключевая дистрибуция (ККД) позволит безопасно обмениваться информацией между различными локациями. Квантовые технологии также помогут создать искусственные молекулярные машины, способные выполнять самые разнообразные задачи.

Медицина – прекрасный пример той области, где в ближайшее время будут применены открытия квантового уровня. В масштабах более мелких, чем живая клетка, мы разрабатываем целый ряд потрясающих новых технологий, например, на основе наночастиц с уникальными квантовыми свойствами, которые позволяют им прикрепляться к антителам, чтобы бороться с инфекциями, или дадут возможность «запрограммировать» их на реплицирование только внутри клеток опухолей или даже получать изображения клетки изнутри. Кроме того, квантовые датчики позволят нам производить гораздо более точные измерения и получать изображения отдельных биомолекул. А с помощью квантовых компьютеров, о которых мы поговорим в следующей главе, мы сможем секвенировать ДНК гораздо быстрее, чем теперь, а также решать некоторые задачи, предполагающие использование больших данных, касающихся всех аспектов состояния нашего здоровья, вплоть до молекулярного уровня.

А на самом деле их тысячи – примеров технологических и инженерных прорывов в области коммуникаций, медицины, энергетики, транспорта, визуализации и сенсорных технологий, которые появятся благодаря физике. Однако одна область заслуживает отдельного рассмотрения.

Квантовые компьютеры и наука XXI века

Если вас впечатлила квантовая революция XX века, то что же вы скажете, когда увидите, что нам готовит век XXI? Мы не только получили возможность создать более умные игрушки, которые, как считают некоторые, только усложняют нашу жизнь; они помогут нам решить некоторые важнейшие проблемы человечества и совершенно потрясающе трансформировать наш мир. Одним из самых интересных примеров применения открытий в физике, несомненно, является квантовый компьютер. Он будет совершенно иным, нежели наш обычный компьютер, и позволит решить множество задач, которые сейчас недостижимы даже с помощью самых мощных суперкомпьютеров. Квантовые компьютеры, как ожидается, помогут человечеству совершить прорыв в науке, особенно в паре с искусственным интеллектом.

Квантовые компьютеры используют самые парадоксальные особенности квантового мира. Классическая вычислительная техника основана на том, что информация хранится и обрабатывается в виде битов (обозначающих бинарный код). Один бит информации может иметь два значения: ноль или единицу. Сочетания электронных переключателей, соответствующих биту информации, где каждый или включен, или выключен, используются для создания логических вентилей – строительных блоков логических схем. В отличие от них квантовые компьютеры оперируют так называемыми квантовыми битами, то есть кубитами, которые не ограничены одним из этих бинарных состояний. Кубит может находиться в квантовой суперпозиции, которая включает одновременно и ноль, и единицу и, таким образом, может хранить гораздо больше информации.

Простейшим примером кубита является электрон, квантовый спин которого может быть направлен либо параллельно (верхний спин) либо антипараллельно (нижний спин) приложенному магнитному полю. Если затем дать дополнительный электромагнитный импульс, он превратит спин электрона из параллельного (0) в антипараллельный (1). Однако, поскольку электрон является квантовой частицей, электромагнитный импульс может отправить его в состояние суперпозиции верхнего (0) и нижнего (1) спина одновременно. Два запутанных электрона могут оказаться в суперпозиции четырех возможных состояний одновременно – 00, 01, 10 и 11. Если кубитов много, можно разработать сложнейшую квантовую логику.

Если множество кубитов оказываются запутанными, они способны начать действовать согласованно и одновременно обрабатывать множество опций, что дает результат гораздо более мощный, чем в случае с битами. Однако с реализацией такого устройства могут возникнуть проблемы. Квантовые запутанные состояния – штука чрезвычайно нежная; такое состояние можно поддерживать только в течение очень короткого времени и при наличии определенных условий. Проблема не только в том, чтобы изолировать и защитить их от влияния окружающей среды, которая нарушает квантовую согласованность, но и в способности контролировать входящую и выходящую информацию, обрабатываемую кубитами. А эта задача усложняется по мере роста числа запутанных кубитов. Когда вычислительная операция закончена, выбирается одно из возможных финальных состояний в суперпозиции кубитов, которое надо затем усилить, чтобы считать с помощью какого-нибудь макроскопического (классического) прибора. И это далеко не единственная проблема при разработке квантовых компьютеров, которую нам еще предстоит решить.

Несмотря на все эти сложности, многие исследовательские лаборатории в мире сегодня борются за первенство в создании квантового компьютера. Не так давно еще вообще не было ясно, можно ли в принципе создать такое устройство; теперь ученые говорят о том, что их мечта может исполниться в следующие пару десятилетий, а простейшие прототипы уже существуют. Сейчас известно множество различных подходов к созданию квантового компьютера, и пока не совсем понятно, какой из них удастся осуществить на практике. Как правило, кубиты можно получить на основе любых субатомных частиц, которые ведут себя по законам квантового мира и способны запутываться, – таких частиц, как электроны, или фотоны, или ионы, зависшие в электромагнитном поле, или атомы, пойманные в лазерную ловушку, или специальные жидкие и твердые вещества, квантовый спин атомных ядер которых можно контролировать с использованием ядерного магнитного резонанса.

Такие компьютерные гиганты, как IBM и Google, в настоящее время конкурируют в создании первого квантового компьютера, однако пока никто из них не смог создать стабильную мультикубитную систему, которая могла бы продержаться достаточно долго, чтобы сделать квантовые вычисления практически осуществимыми. Есть еще много более мелких компаний-стартапов, которые работают над этой проблемой. Некоторые уделяют основное внимание вопросу стабильности, а другие пытаются повысить количество запутанных кубитов. Однако дело движется, и я убежден, что доживу до того момента, когда квантовые вычисления станут повседневной реальностью.

Важно подчеркнуть, что трудность представляет не только разработка матчасти. Для квантовых компьютеров также понадобится собственное программное обеспечение, а квантовых алгоритмов еще маловато. Самые известные примеры – это алгоритм факторизации Шора и алгоритм Гровера. Уже доказано, что они позволят квантовым компьютерам работать эффективнее классических в некоторых неожиданных направлениях. Они никоим образом не могут заменить наши обычные компьютеры в решении всех задач, но очень хорошо приспособлены для решения математических задач. В нашей повседневной жизни мы продолжим использовать все более мощные и быстрые классические компьютеры, особенно когда нам покорятся рубежи искусственного интеллекта, облачных технологий и интернета вещей (в том смысле, что многие приборы у нас дома будут связаны и смогут разговаривать друг с другом). А еще классические компьютеры продолжат обрабатывать терриконы накапливаемых нами данных.

Однако существуют проблемы, которые невозможно решить даже с помощью самых мощных классических компьютеров будущего. Прелесть квантовых компьютеров в том, что скорость обработки ими данных возрастает экспоненциально с ростом количества кубитов. Рассмотрим информационное содержание трех неквантовых переключателей. Каждый может представлять собой либо 0, либо 1, так что в результате возможно восемь различных комбинаций: 000, 001, 010, 100, 011, 101, 110, 111. Однако три запутанных кубита дают нам возможность сохранять сразу все восемь комбинаций. Каждая из трех цифр одновременно представляет собой и 0, и 1. На классическом компьютере количество информации экспоненциально растет с увеличением количества битов. Поэтому N битов означает 2N различных состояний. Квантовый компьютер с N кубитами использует все 2N состояний сразу – уровень параллельной обработки, которого классический компьютер просто не способен достичь.

Квантовые компьютеры будут когда-нибудь использоваться для решения задач в широком диапазоне дисциплин – в математике, химии, медицине и в создании искусственного интеллекта. Химики с нетерпением ждут, когда можно будет использовать квантовые компьютеры для моделирования сложных химических реакций. В 2016 году Google разработала примитивное квантовое устройство, с помощью которого удалось впервые смоделировать молекулу водорода, а после этого IBM удалось исследовать поведение более сложных молекул. Кажется логичным, что для понимания квантового мира нужно пользоваться квантовым моделированием. В конце концов, рыбак рыбака видит издалека. Исследователи надеются, что квантовое моделирование позволит создавать синтетические молекулы и разрабатывать новые лекарства. В сельском хозяйстве химики могли бы пользоваться квантовыми компьютерами для получения новых катализаторов для удобрений, которые дадут возможность уменьшить выбросы парниковых газов и усовершенствовать производство пищевых продуктов.

В области искусственного интеллекта квантовые компьютеры резко ускорят решение комплексных проблем оптимизации в машинном обучении. Это совершенно необходимо в целом ряде промышленных отраслей, где ключевой задачей является увеличение производительности и эффективности труда. В этом случае квантовые компьютеры революционизируют область системного проектирования, способствуя рационализации производства и сокращению отходов. В ближайшем будущем квантовые инженеры станут специалистами во многих областях – от квантовой механики и электроники до системного проектирования, искусственного интеллекта и вычислительной техники.

И самым интересным для меня лично (надеюсь, я до этого доживу) представляется то, что к середине XXI века квантовые компьютеры могут научиться управлять программами искусственного интеллекта, которые наконец позволят получить ответы на важнейшие вопросы фундаментальной физики. Именно они, а не люди, возможно, совершат главный прорыв.

Есть еще одна причина, по которой я выбрал в качестве примера технологии будущего именно квантовые компьютеры. Ряд физиков-теоретиков считают квантовую вычислительную технику своей последней надеждой. Причина в том, что квантовый компьютер по самой своей природе подходит для моделирования квантового мира и способен даже помочь определить, какая теория квантовой гравитации является верной.

Я надеюсь, что эта книга позволит вам почувствовать значимость физики в прошлом, настоящем и будущем. Последнюю главу я решил посвятить тому, что физики и вообще любые специалисты в точных науках думают о мире, и тому, как мы его познаем. Другими словами, как работает эта громадная система – наука, как получают знания и почему мы должны в науку верить.

Глава 10. Думай как физик

О честности и сомнении

Хочу поделиться с вами одной интересной историей. В 2017 году на студии Би-би-си я должен был представить документальный фильм под названием «Гравитация и я». Фильм о том, как развивалось в истории наше понимание этого фундаментального явления – гравитации, формирующего наш мир, от ньютоновской силы до структуры самого пространства-времени. Еще более увлекательным этот проект сделало то, что мы разработали приложение к смартфону для регулярного определения местоположения пользователей путем регистрации их GPS-координат (долготы, широты и высоты над уровнем моря). Приложение использует эту информацию, чтобы рассчитать скорость, с которой идет время для данного пользователя. Согласно общей теории относительности скорость течения времени зависит от силы гравитационного поля в данном месте. Человек, стоящий на вершине горы, находится дальше от центра Земли, чем человек, находящийся на уровне моря, так что первый ощущает гравитационное притяжение чуть слабее, чем последний. Это означает, что время на вершине горы бежит чуть быстрее, чем на уровне моря. Эффект совершенно ничтожный: за каждую секунду на уровне моря время на горе увеличивается менее чем на триллионную часть секунды. Таким образом, даже если вы проведете всю жизнь на вершине горы, при прочих равных условиях (что невозможно) вы проживете всего на одну миллисекунду меньше, чем если бы вы жили на уровне моря, – так, во всяком случае, покажут очень точные, но в целом совершенно бесполезные часы, дрейфующие вместе с космическим кораблем. В сравнении с плюсами чистейшего воздуха, здоровой диеты или регулярных физических упражнений это преимущество выглядит несколько странным. Но все равно физический эффект совершенно реален, а разработка приложения оказалась сплошным удовольствием.

Чтобы создать это приложение, нам пришлось учесть еще один фактор. Как я уже упоминал в главе 3, часы, движущиеся в пространстве, идут медленнее, чем остающиеся неподвижными. Таким образом, двигаясь, вы замедлите для себя течение времени по сравнению с человеком, пребывающим в статическом положении. Этот эффект еще слабее, чем связанный с гравитацией, поскольку обычно мы не развиваем скорость, хоть сколько-нибудь близкую к скорости света, а именно в этом случае данный эффект становится существенным. Тем не менее приложение способно учитывать передвижение пользователя, и если местоположение меняется достаточно существенно, приложение может рассчитать, с какой скоростью он двигался.

А теперь – самое важное. Наша планета не имеет форму правильного шара, она сплюснута у полюсов. Таким образом, если вы стоите на экваторе, то находитесь дальше от центра Земли, чем где-нибудь на Северном полюсе (примерно на 22 километра); следовательно, вы должны ощущать притяжение чуть слабее, как человек на горе. Поэтому часы на полюсе, где притяжение сильнее, должны тикать чуть медленнее, чем на экваторе (это называется дилатацией времени согласно общей теории относительности). Однако, помимо этого, Земля еще и вертится, и часы на экваторе вместе с планетой движутся быстрее, чем на полюсе (по показаниям наших объективных часов, парящих в космосе). Поэтому на экваторе ход времени должен быть медленнее, чем на полюсе (дилатация времени согласно специальной теории относительности). Эти два эффекта, один, объясняемый общей теорией относительности, а другой – специальной, работают в противоположных направлениях – и который перевесит? Какие часы все-таки тикают медленнее? Я просчитал оба эффекта по отдельности и обнаружил, что в целом часы на полюсе идут медленнее, потому что там сила притяжения ощущается сильнее, пусть даже часы на экваторе движутся с большей скоростью.

Вся эта классная математическая информация была включены в приложение, где использовались мои формулы. Шумная компания в средствах массовой информации означала, что мы убедили тысячи людей загрузить это приложение и воспользоваться им еще до того, как наш фильм вышел в эфир. Мы даже получили от нескольких пользователей (включая пилота самолета и альпиниста) видеодневники с регистрацией результатов, наблюдаемых с помощью нашего приложения.

И тут у нас возникла загвоздка.

Как-то вечером, за неделю до завершения редактирования фильма, как раз когда я собирался записывать голосовое сопровождение для ожидавшейся передачи на би-би-си, мне позвонил мой страшно умный продюсер Пол Сен. Он сообщил, что прочитал кое-какие материалы по физике на онлайн-форуме и похоже, что я облажался. Я тут же все бросил и занялся своими вычислениями. А еще я обратился к нескольким коллегам с просьбой их проверить.

И действительно, я совершил очень серьезную ошибку. Два эффекта – замедление течения времени на полюсе, поскольку там сильнее ощущается гравитация, и замедление времени на экваторе, поскольку часы там движутся быстрее вместе с планетой, – в точности перекрывают друг друга! На самом деле все часы на уровне моря тикают в одинаковом темпе по всей Земле, а время, которое они показывают, называется Международным атомным временем (МАТ). Поверхность Земли представляет собой геоид, эквипотенциальную гравитационную поверхность, где взаимное погашение этих двух эффектов, объясняемое действием общей и специальной теорий относительности – совсем не случайное совпадение. Миллиарды лет назад, когда наша планета только что сформировалась, была горячей и тягучей, вращение привело к изменению ее формы в сторону сплющивания, таким образом обеспечив условия для того, чтобы все точки на ее поверхности обладали одинаковым гравитационным потенциалом. Поэтому время везде течет одинаково при условии, что его измеряют на уровне моря – поднимитесь повыше, и время ускорится, опуститесь под поверхность Земли, и оно замедлится.

Цифры, которые выдавало мое приложение, были неверными, и формулу требовалось откорректировать. Но проблема даже не в этом. Моя ошибка стала бы достоянием гласности. Наш документальный фильм нельзя было показывать в том виде, который он имел на тот момент.

Я сказал об этом продюсеру, и он тут же попросил Би-би-си отменить трансляцию. Простейшее решение, конечно, – переснять те сцены, где я давал неверную информацию. Никто бы и не заметил. Но я вовремя понял, что у меня появилась возможность продемонстрировать, как работает реальная наука. Не надо скрывать свой промах, надо в нем признаться, показать, что это нормально – делать ошибки, занимаясь исследованиями. Так что мы сняли еще несколько сцен, где я признавал, что ошибся, и объяснял, как это случилось. С моей стороны не потребовалось никакой особой смелости и силы духа; ведь наука развивается именно через преодоление ошибок – они неизбежны и на них мы учимся. В конце концов, если бы мы не ошибались, как бы нам удалось открыть что-то новое? Этим наука отличается, например, от политики. Действительно, часто ли вы слышите, чтобы политик прямо признался, что совершил ошибку?

В истории науки полно примеров, когда исследователи учились на ошибках прошлого, когда новые гипотезы и теории приходили на смену старым по мере того, как мы все больше узнавали о мире вокруг нас и накапливали экспериментальный опыт. Но как же мы объясним широкой публике полезность такого подхода: формулирование гипотезы, ее тестирование и, наконец, отказ от нее в связи с несоответствием экспериментальным данным? Конечно, признание такого подхода по большей части не согласуется с современной риторикой, особенно в средствах массовой информации, где слышнее всего голоса тех, кто ценит личное мнение больше, чем реальные данные и воспроизводимость экспериментальных результатов.

Так есть ли какой-то урок, который ученые могут преподать обществу или нас обвинят в самонадеянности и элитарности?

Еще одна особенность ученых, тесно связанная с нашей безукоризненной честностью и очень важная для научных исследований, – способность сомневаться. Эта черта может стать нашим злейшим врагом, когда дело доходит до объяснения широкой публике, как делается наука. Мы говорим, что никогда нельзя быть полностью в чем-то уверенными, что научная теория – это просто наша последняя версия объяснения какого-либо явления, и как только эта теория придет в противоречие с новыми наблюдениями или экспериментальными данными, мы должны быть готовы пересмотреть или отвергнуть ее в пользу новой. Но тогда кто-то скажет: «Если вы ни в чем не уверены, как можно верить тому, что вы утверждаете? Как можно на что-то положиться, никогда не зная наверняка?» Такая реакция объяснима. Это в нашей природе – стремиться знать что-то наверняка, а не мириться с какой-то временной версией.

Однако думать таким образом – значит иметь неправильное представление о том, как развивается наука. Доверие к научной информации возникает не на основе убежденности, а на основе признания наукой фактора неопределенности: она всегда подвергает сомнению существующие знания и готова заменить их более глубокими, если вдруг таковые появятся. В других областях жизни такое поведение могло бы показаться легкомысленным, но не в науке. Весь научный прогресс зависит от безусловной приверженности ученых научной честности и от возможности высказывать сомнения.

Вот еще один пример типичного образа мыслей ученого, который может вас удивить. Многие бывают шокированы, когда узнают, что некоторые физики – конечно, не из тех, кто посвятил много лет своей жизни созданию Большого адронного коллайдера, – надеялись, что бозон Хиггса никогда не найдут. Понимаете, если бы бозон Хиггса не обнаружили, это означало бы, что со Стандартной моделью действительно что-то не так; а значит, открылся бы новый путь для развития физики. Просто поставить галочку, чтобы подтвердить истинность того, о чем мы давно уже догадывались, совсем не так увлекательно, как обнаружить, что нам предстоит пойти по совершенно новому, неизведанному научному пути.

С другой стороны, имеющие добрые намерения, но непрофессиональные ученые-любители иногда обвиняют нас, физиков, в том, что мы недостаточно открыты для того, чтобы принимать их новые теории, – когда, например, они утверждают, что нашли какую-то ошибку в эйнштейновской теории относительности.

По правде говоря, мне бы очень хотелось, чтобы Эйнштейн оказался не прав, поскольку это означало бы, что нам нужна новая, более совершенная теория, подобно тому как теория общей относительности пришла на смену ньютоновской теории притяжения. Однако физики уже целый век безжалостно проверяют и разбирают по косточкам идеи Эйнштейна, и все-таки теория относительности с честью отбивает каждое нападение. Возможно, когда-нибудь будет предложена более совершенная версия, объясняющая все, что может объяснить теория относительности, и более того. Но нам еще предстоит ее открыть.

И вот уже много веков мы прилагаем усилия, чтобы найти еще более фундаментальные объяснения физических явлений и, пытаясь развенчать, тестируем теории до их полного разрушения. Если они выживают, мы верим в них… пока не появляется что-нибудь более совершенное.

О теории и знании

Когда в общем разговоре кто-то сообщает, что у него возникла теория, он имеет в виду, что у него есть мнение по поводу чего-то – некий взгляд, основанный на определенных сведениях или наблюдениях, но вместе с тем это не более чем догадка или интуитивное ощущение, основанное на идеологических, или субъективных, или еще каких-то убеждениях. Такая теория, которая может оказаться верной или неверной, очень отличается от того, что мы имеем в виду под научной теорией[38], которая, в свою очередь, может быть верной или неверной, однако, в отличие от простого мнения, обязана соответствовать ряду важных критериев. Во-первых, она должна предложить какое-то объяснение тому, что мы наблюдаем либо в природе, либо в эксперименте, и предоставить свидетельства, подтверждающие это объяснение. Во-вторых, мы должны иметь возможность верифицировать научную теорию в соответствии с научным методом: мы должны иметь возможность ее протестировать, а результаты тестов или наблюдений – продублировать. Наконец, хорошая научная теория позволяет сделать новые прогнозы относительно тех явлений, которых она касается, причем эти прогнозы можно затем верифицировать с помощью дальнейших наблюдений и экспериментов.

Самые успешные научные теории, такие как теория относительности, квантовая механика, теория Большого взрыва, тектоника плит или бактериальная теория болезней, подверглись строжайшему анализу и в результате были признаны оптимальными. Вопреки некоторым распространенным мнениям (в частности, относительно теории Дарвина), ни одну из них нельзя назвать просто теорией. Успешность научной теории в том, что она обладает объяснительной силой, что она подтверждается данными, что она позволяет делать верифицируемые прогнозы, и все же она может быть ошибочна, поскольку если наблюдения и экспериментальные результаты противоречат ее прогнозам, то эта теория не может быть верна или по крайней мере она не является вполне завершенной.

Как же нам тогда противостоять тем, кто хочет подорвать основу науки и научного метода, кто утверждает, что их мнение должно ставиться выше данных и что их теория должна пользоваться таким же доверием, как и научная теория, которую они тщатся оспорить или опровергнуть, хотя их детище само не отвечает соответствующим требованиям? Иногда нам кажется забавным, что некоторые люди считают Землю плоской, или что высадка людей на Луне была розыгрышем, или что мир был создан лишь несколько тысячелетий назад. Есть и те, чьи взгляды не только расходятся с установленными научными фактами, но и представляют настоящую опасность для общества, – те, кто отрицает факт антропогенного изменения климата, отказывается вакцинировать своих детей, поскольку безосновательно верит в связь между вакцинацией и аутизмом, или те, кто предпочитает современной медицине магию и суеверия.

Мне очень жаль, что у меня нет ясного ответа на эти вопросы. Я посвятил половину своей научной карьеры в физике исследованиям, с помощью которых пытался понять, как существует Вселенная. Вторую половину жизни я преподавал, стремясь объяснить то, чему научился сам. Поэтому я просто не могу снять с себя ответственность и не участвовать в научных дискуссиях с широкой публикой. Многие из обсуждаемых вопросов слишком важны, чтобы к ним не обращаться. Но я также знаю, как трудно повлиять на уже сложившиеся взгляды, какими бы ошибочными они мне ни казались.

На самом деле теории заговора – это полная противоположность научным теориям, поскольку их авторы выискивают все возможные свидетельства против себя самих и интерпретируют их таким образом, чтобы скорее поддержать, а не опровергнуть свою основную идею, исключив тем самым возможность опровержения своих утверждений. Многие из адептов этого пытаются интерпретировать и учитывать только те свидетельства, которые подтверждают их первоначальные гипотезы. Это называется склонностью к подтверждению. Часто, особенно в области идеологических убеждений, мы также слышим термин «когнитивный диссонанс» – это когда вы чувствуете дискомфорт, если информация подтверждает точку зрения, противоположную вашей. Мощное сочетание склонности к подтверждению и когнитивного диссонанса работает на укрепление уже существующих убеждений. Поэтому, когда мы пытаемся переубедить таких оппонентов с помощью научных данных, это часто оказывается бесполезной тратой времени.

Понятно, что людям, на которых льется поток полярных взглядов от разных средств информации, трудно разобраться, кому же стоит верить. Как им отличить точную, экспериментально подтвержденную информацию от «фейк ньюс»? Ученые могут сделать одно: разобраться с проблемой ложного баланса. Например, сейчас, когда почти все климатологи мира признают, что климат Земли быстро изменяется из-за человеческой деятельности и что надо срочно принимать меры, если мы хотим предотвратить катастрофические последствия этих изменений, средства массовой информации не спешат предоставлять слово человеку, защищающему противоположную точку зрения. Ибо при этом у слушателей и зрителей создается впечатление, что обе точки зрения имеют одинаковое право на существование. Помимо весомости научных доказательств, различие между ученым, утверждающим, что антропогенный фактор в климатических изменениях реально существует, и его оппонентом заключается в том, что первый на самом деле допускает, что он не прав.

Ученый всегда согласится с тем, что, возможно, изменение климата не происходит; возможно, неверны теория эволюции или теория относительности. Может быть, сила притяжения не всегда притягивает меня к земле и медитация даст мне возможность левитировать. Однако эти «возможно» не означают, что мы чего-то не знаем. Мы абсолютно уверены, что продолжим тестировать наши теории, а если они пройдут тестирование, мы поверим в них и будем обсуждать их с людьми, далекими от науки. Но, будучи учеными, мы склонны исходить из принципов честности и сомнения. Как слово «теория» имеет в науке иное значение, нежели в быту, слово «уверен» также значит для ученых нечто особенное. Конечно, на самом деле я совершенно уверен, что нельзя взлететь, преодолев силу притяжения с помощью медитации. Я также уверен, что Земля круглая, что ей миллиарды лет и что жизнь развивается путем эволюции.

Уверен ли я, что темная материя существует? Почти.

О правде

Часто говорят, что есть разные способы постичь истину, что, собственно, есть разные виды истины. Конечно, философ или теолог, читающий эти строки, сочтет мой упрощенный взгляд на этот вопрос безнадежно наивным, однако я лично полагаю, что абсолютная истина – это то, что существует на самом деле, независимо от восприятия человека. Так что, когда я говорю о науке как о поиске истины, я имею в виду, что ученые пытаются как можно точнее познать конечную природу вещей, объективную реальность, которая ожидает открытия и интерпретации. Иногда может показаться, что эта объективная реальность – не более чем собрание фактов о мире, которые мы постепенно познаем, пока не познаем их все. Но помните, что в науке мы никогда ничего не можем знать наверняка. Всегда существует шанс, что через какое-то время мы поймем еще больше, и это еще на шаг приблизит нас к конечной истине, которая и является нашей целью.

В науке существует много идей и концептов, в отношении которых мы так уверены, что можем спокойно считать их фактами. Если я спрыгну с крыши, Земля притянет меня к себе (а я чуть-чуть подтяну ее наверх) согласно простому математическому уравнению, и это практически факт. Мы еще не знаем всего про гравитацию, но мы точно знаем, как она действует на объекты. Если я брошу мяч с высоты пяти метров, я без всякого секундомера буду знать, что, прежде чем удариться о землю, он пробудет в воздухе одну секунду – не две, не половину, а одну секунду. Когда-нибудь мы, возможно, разработаем новую теорию квантовой гравитации, но она никогда не подтвердит, что мячу понадобится в два раза больше или меньше времени, чем получается согласно ньютоновскому уравнению. Это – абсолютная истина нашего мира. Нет никакого философского аргумента, способа медитации, духовного учения или религиозного прозрения, или даже инстинктивного ощущения или политической идеологии, которые могли бы убедить меня, что мячу, брошенному с высоты пяти метров, нужна одна секунда, прежде чем удариться о землю. А вот наука – может.

Значит, в каком-то смысле еще остающиеся пробелы в наших знаниях о законах Вселенной – о природе темной материи, верности инфляционной теории, правильной интерпретации квантовой механики, истинной природе времени и так далее – не изменят нашего понимания сил, материи и энергии, формирующих мир вокруг нас. Будущие успехи физики не заставят устареть то, что мы уже знаем. Они просто приведут к более детализированным и глубоким знаниям.

Физика – это человек

В конечном счете физики ничем не отличаются от остальных людей. Нам хочется, чтобы наши идеи и теории были правильными, и мы будем защищать их от вновь возникающих свидетельств в пользу обратного. Даже самые блестящие физики, как мы знаем, пытались замолчать проблемы, касающиеся их собственных теорий, и всячески поддерживали критику конкурирующих с ними идей. Склонность к подтверждению существует в науке наряду с другими явлениями, и ученые тоже подвержены этой слабости. Мы стремимся получить должности и повышение по службе, конкурируем за получение финансирования, хотим завершить проект к назначенному сроку, готовы умереть за публикацию своей работы и изо всех сил стараемся заслужить уважение коллег и одобрение начальства.

И все-таки наша готовность к научным исследованиям должна, в частности, подразумевать готовность к самопожертвованию и честному отношению к науке, чтобы мы могли обуздать наши основные инстинкты. Мы должны сделать так, чтобы наши желания не ослепляли нас, чтобы наши предрассудки и субъективные интересы не заводили нас в тупик. Иногда кажется, что у нас это не выходит, особенно если иметь в виду отдельных ученых – и правда, известно несколько подтвержденных документально примеров мошенничества и коррупции в области научных исследований. Однако как исследовательское сообщество мы обладаем некими внутренними корректирующими процедурами, такими как коллегиальный обзор научных статей (я осознаю, что это неидеальный способ оценки научного исследования), и мы уделяем большое внимание воспитанию молодых ученых в духе ответственного отношения к своей работе. Это означает, что научный метод по самой своей природе является саморегулирующейся системой. Слабые теории в конце концов умирают, сколько бы усилий ни прилагали защитники для поддержания их жизни, даже если иногда требуется несколько поколений ученых для того, чтобы освободиться от оков особенно сильно утвердившейся теории, у которой истек «срок хранения».

Лучшие физики – чаще всего те, кому удалось подняться над повседневностью и освободиться от предрассудков, связанных с общим мнением, модой или репутацией – даже с их собственной. Но это с большей вероятностью происходит в тех случаях, когда уже известно, что данная теория не является последним словом в соответствующей области или что существуют конкурирующие теории, причем у каждой из них есть достойные защитники. Вспомним также, что физика, как и всякая другая наука, не является демократичной. Бывает так, что одно-единственное экспериментальное наблюдение низвергает общепринятую идею и возводит на пьедестал другую. И теперь уже эта новая теория находится под яркими лучами экспериментальных проверок для подтверждения ее правильности.

Можно считать, что многие спекулятивные идеи современной фундаментальной физики (некоторые мы обсуждали в главе 8) не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к настоящей научной теории, потому что их нельзя подтвердить опытными данными. Я бы отнес сюда (по крайней мере на сегодняшний день) теорию струн, петлевую теорию гравитации, теорию энтропии черных дыр и теорию мультивселенных. И все же тысячи физиков-теоретиков в мире ведут интенсивные исследования в этих направлениях. Может быть, им следует прекратить работу, поскольку их теории еще нельзя протестировать? Может быть, они зря тратят государственные средства, которые можно было бы вложить в более полезные научные направления? И что руководит этими физиками, если у них нет инструментов для проверки своих теорий? Или они просто ослеплены красотой уравнений? А иногда отдельные физики даже утверждают, что им и не нужно тестировать свои теории с помощью экспериментальных данных, а надо лишь сравнивать разные теории по их математической стройности и элегантности. Мне лично эта дорожка кажется довольно опасной.

Однако если я буду слишком строг к этим «любителям поиска в темноте», то проявлю недостаток воображения и понимания истории научных идей. Когда Максвелл записал свои уравнения электрического и магнитного полей и на этой основе вывел волновое уравнение для света, никто, включая самого Максвелла, не предполагал, как эти идеи будут использованы Генрихом Герцем, Оливером Лоджем, Гульельмо Маркони и другими, кто участвовал в изобретении радио. Разрабатывая теории относительности, Эйнштейн тоже не мог ожидать, что однажды они будут использованы для того, чтобы обеспечить точную спутниковую навигацию, к которой вы можете получить доступ с помощью технических чудес, воплощенных в суперкомпьютере в вашем кармане, а тот, в свою очередь, не удалось бы разработать без отвлеченного теоретизирования пионеров квантовой механики.

Итак, приверженцы инфляционной теории, теории струн и петлевой квантовой гравитации продолжают выполнять свою миссию – и правильно делают. Их идеи могут оказаться неверными или, наоборот, могут изменить ход истории. Или нам придется подождать появления второго Эйнштейна, а может, даже искусственного интеллекта, который поможет выйти из теперешнего затруднительного положения. Чего именно мы дождемся – пока сказать трудно. Но можно с уверенностью утверждать, что если мы когда-нибудь перестанем проявлять любопытство к сути явлений во Вселенной и откажемся от попыток понять, как она и все мы тут оказались, то мы изменим своей человеческой сущности.

А человеческая деятельность беспредельно плодотворна. Мы придумали искусство, и поэзию, и музыку; мы создали разные религии и политические системы; мы построили разные общества, культуры и империи, настолько богатые и сложные, что их никогда не удастся воплотить ни в какой математической формуле. Но если мы захотим узнать, откуда мы родом, где образовались атомы нашего организма, если захотим задать все вопросы, касающиеся мира и Вселенной, в которой мы обитаем, то только физика поможет нам прийти к истинному пониманию реального мира. А достигнув этого понимания, мы сможем участвовать в формировании нашего мира и собственной судьбы.

Благодарности

Это очень непростая задача – показать сбалансированную картину обширной фундаментальной физики в такой небольшой книге, предназначенной для непрофессионалов. И при этом все-таки постараться войти в некоторые подробности относительно последних достижений во многих областях и свести их в единое целое. Предоставляю вам судить о том, насколько хорошо мне это удалось. Мне также хотелось избежать избитых метафор и аналогий, которые так часто встречаются в научно-популярной литературе. Многие из них в конце концов изживают себя или в условиях появления новых знаний начинают противоречить истине.

И даже если все это в принципе достижимо, есть еще одна проблема.

Остров наших познаний в физике окружен океаном того, что еще предстоит объяснить, но площадь этого острова все время увеличивается. Моя книга предназначена для того, чтобы исследовать побережье этого острова – передние рубежи наших современных знаний. Однако точное и краткое описание этого побережья – непростая задача для одного человека. Хотя я могу обращаться к более чем 30-летнему опыту исследований в области теоретической физики, а также почти столь же длительному опыту преподавания и популяризации науки, позволившим мне отточить навыки поиска нужных языковых средств для раскрытия сложных концептов, я тем не менее вполне осознаю ограниченность своих возможностей, когда речь идет о тех областях физики, которые лежат за пределами моего опыта. Поэтому я хочу выразить огромную признательность моим коллегам и сотрудникам за многочисленные плодотворные дискуссии со мной в течение многих лет. Я также очень благодарен всем, кто потратил свое драгоценное время на чтение моей рукописи и вносил предложения, которые помогли мне заполнить пробелы в знаниях. Ваши предложения тончайших изменений в формулировках позволили сделать объяснения более точными без потери ясности и простоты.

Мне доставило большое удовольствие время от времени вступать в полемику (впрочем, не очень серьезную) с окружающими, пытаясь выразить собственные взгляды на нерешенные проблемы физики. Я старался, насколько возможно, выделить вопросы, по которым существуют расхождения или сомнения, – в частности, те случаи, когда я критически отношусь к общепринятым взглядам (это касается, например, основ квантовой механики или подхода к квантовой гравитации или инфляционной теории). Извинением мне служит то, что эти взгляды не исключительно мое мнение (хотя именно я выступаю их защитником) – скорее, это мнение физиков, которых я уважаю и которые работают на самых передних рубежах в данной области.

Я хочу выразить особую благодарность за многочисленные полезные комментарии своим коллегам с факультета физики Университета Суррея Джастину Риду и Андреа Рокко. Я также благодарен Майклу Штрауссу из Принстона, который разъяснил мне целый ряд аспектов астрономии, и Эндрю Понцену из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе, с которым я в последнее время имел несколько плодотворных дискуссий о природе темной материи и смысле инфляционной теории. Также благодарю двух моих любимых популяризаторов науки Филипа Болла и Джона Гриббина за их глубокие комментарии, значение которых трудно переоценить.

Я попытался, насколько возможно, учесть все комментарии и предложения, высказанные моими коллегами. Несомненно, в книге встретятся моменты, с которыми не все полностью согласятся, но я надеюсь, что их будет немного. Одно я знаю точно: все это сделало мою книгу гораздо лучше, чем я мог бы надеяться, если бы не обратился за помощью.

Я уже много лет имею удовольствие представлять на «Би-би-си Радио 4» серию фильмов под названием «Жизнь в науке», где я интервьюирую ведущих мировых ученых. Это дало мне возможность немного глубже погрузиться в последние идеи фундаментальной физики, в особенности в таких эзотерических областях, как физика частиц и космология. Я благодарен Шону Кэрроллу, Фрэнку Клоузу, Полу Дейвису, Фей Доукер, Карлосу Френку, Питеру Хиггсу, Лоренсу Крауссу, Роджеру Пенроузу и Карло Ровелли; их я имел счастье принимать в качестве гостей своей программы. Если в этой книге есть какие-то идеи, которые им не совсем близки (а я уверен, что так оно и будет), то, надеюсь, они меня простят. Они не читали этой рукописи, но их полезнейшие советы, безусловно, помогли мне навести порядок в своих мыслях.

И наконец, я очень многим обязан Ингрид Гнерлих, моему редактору из издательства Принстонского университета, за ее безусловную поддержку, советы и предложения по структуре и формату книги, которые помогли мне создать окончательный вариант. Большую роль в этом сыграла и мой технический редактор Энни Готтлиб.

Само собой разумеется, самую глубокую благодарность я хочу выразить моей любимой жене Жюли за ее терпение и поддержку и почти столь же любимому агенту Патрику Уолшу – вместе мы составляем прекрасную команду.

Что еще почитать

Предлагаю список научно-популярной литературы, который хорошо дополнит мою книгу.

ОБЩАЯ ФИЗИКА

Peter Atkins, Conjuring the Universe: The Origins of the Laws of Nature (Oxford and New York: Oxford University Press, 2018).

Richard P. Feynman et al., The Feynman Lectures on Physics, 3 vols. (Reading, MA: Addison-Wesley, 1963; rev. and ext. ed., 2006; New Millennium ed., New York: Basic Books, 2011); available in full online for free, http:// www.feynmanlectures.caltech.edu.

Roger Penrose, The Emperor’s New Mind: Concerning Computers, Minds, and the Laws of Physics (Oxford and New York: Oxford University Press, 1989).

Lisa Randall, Warped Passages: Unraveling the Mysteries of the Universe’s Hidden Dimensions (London: Allen Lane; New York: HarperCollins, 2005).

Carl Sagan, The Demon-Haunted World: Science as a Candle in the Dark (New York: Random House, 1996).

Steven Weinberg, To Explain the World: The Discovery of Modern Science (London: Allen Lane; New York, HarperCollins, 2015).

Frank Wilczek, A Beautiful Question: Finding Nature’s Deep Design (London: Allen Lane; New York: Viking, 2015).

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Jim Al-Khalili, Quantum: A Guide for the Perplexed (London: Weidenfeld and Nicolson, 2003).

Philip Ball, Beyond Weird: Why Everything You Thought You Knew about Quantum Physics Is… Different (London: The Bodley Head; Chicago: University of Chicago Press, 2018).

Adam Becker, What Is Real? The Unfinished Quest for the Meaning of Quantum Physics (London: John Murray; New York, Basic Books, 2018).

Sean Carroll, Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime (London: OneWorld; New York: Dutton, 2019).

James T. Cushing, Quantum Mechanics: Historical Contingency and the Copenhagen Hegemony (Chicago and London: University of Chicago Press, 1994).

David Deutsch, The Fabric of Reality: Towards a Theory of Everything (London: Allen Lane; New York: Penguin, 1997).

Richard P. Feynman, QED: The Strange Theory of Light and Matter (Princeton and Oxford: Princeton University Press, 1985).

John Gribbin, Six Impossible Things: The ‘Quanta of Solace’ and the Mysteries of the Subatomic World (London: Icon Books, 2019).

Tom Lancaster and Stephen J. Blundell, Quantum Field Theory for the Gifted Amateur (Oxford and New York: Oxford University Press, 2014).

David Lindley, Where Does the Weirdness Go? Why Quantum Mechanics is Strange, but Not as Strange as You Think (New York: Basic Books, 1996).

N. David Mermin, Boojums All the Way Through: Communicating Science in a Prosaic Age (Cambridge, UK, and New York: Cambridge University Press, 1990).

Simon Saunders, Jonathan Barrett, Adrian Kent, and David Wallace, eds., Many Worlds? Everett, Quantum Theory, & Reality (Oxford and New York: Oxford University Press, 2010).

ФИЗИКА ЧАСТИЦ

Jim Baggott, Higgs: The Invention and Discovery of the ‘God Particle’ (Oxford and New York: Oxford University Press, 2017).

Jon Butterworth, A Map of the Invisible: Journeys into Particle Physics (London: William Heinemann, 2017).

Frank Close, The New Cosmic Onion: Quarks and the Nature of the Universe (Boca Raton, FL: CRC Press / Taylor and Francis, 2007).

Gerard ’t Hooft, In Search of the Ultimate Building Blocks (Cambridge, UK, and New York: Cambridge University Press, 1997).

КОСМОЛОГИЯ И ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ

Sean Carroll, The Big Picture: On the Origins of Life, Meaning, and the Universe Itself (New York: Dutton, 2016; London: OneWorld, 2017).

Albert Einstein, Relativity: The Special and the General Theory, 100th Anniversary Edition (Princeton, NJ: Princeton University Press, 2015).

Brian Greene, The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos (London; Allen Lane; New York: Alfred A. Knopf, 2011).

Michio Kaku, Hyperspace: A Scientific Odyssey through Parallel Universes, Time Warps, and the 10th Dimension (Oxford and New York: Oxford University Press, 1994).

Abraham Pais, ‘Subtle is the Lord…’: The Science and the Life of Albert Einstein (Oxford and New York: Oxford University Press, 1982).

Christopher Ray, Time, Space and Philosophy (London and New York: Routledge, 1991).

Wolfgang Rindler, Introduction to Special Relativity, Oxford Science Publications (Oxford and New York: Clarendon Press, 1982).

Edwin F. Taylor and John Archibald Wheeler, Spacetime Physics (New York: W.H. Freeman, 1992); free download, http://www.eftaylor.com/spacetimephysics/.

Max Tegmark, Our Mathematical Universe: My Quest for the Ultimate Nature of Reality (London: Allen Lane; New York: Alfred A. Knopf, 2014).

Kip S. Thorne, Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy (New York and London: W.W. Norton, 1994).

ТЕРМОДИНАМИКА И ИНФОРМАЦИЯ

Brian Clegg, Professor Maxwell’s Duplicitous Demon: The Life and Science of James Clerk Maxwell (London: Icon Books, 2019).

Paul Davies, The Demon in the Machine: How Hidden Webs of Information Are Finally Solving the Mystery of Life (London: Allen Lane; New York: Penguin, 2019).

Harvey S. Leff and Andrew F. Rex, eds., Maxwell’s Demon: Entropy, Information, Computing (Princeton, NJ: Princeton University Press, 1990).

ПРИРОДА ВРЕМЕНИ

Julian Barbour, The End of Time: The Next Revolution in Physics (Oxford and New York: Oxford University Press, 1999).

Peter Coveney and Roger Highfield, The Arrow of Time: A Voyage through Science to Solve Time’s Greatest Mystery (London: W.H. Allen; Harper Collins, 1990).

P. C.W. Davies, The Physics of Time Asymmetry (Guildford, UK: Surrey University Press; Berkeley, CA: University of California Press, 1974).

James Gleick, Time Travel: A History (London: 4th Estate; New York: Pantheon, 2016).

Carlo Rovelli, The Order of Time, trans. Simon Carnell and Erica Segre (London: Allen Lane; New York: Riverhead, 2018).

Lee Smolin, Time Reborn: From the Crisis in Physics to the Future of the Universe (London: Allen Lane; Boston and New York: Houghton Mifflin Harcourt, 2013).

УНИФИКАЦИЯ

Marcus Chown, The Ascent of Gravity: The Quest to Understand the Force that Explains Everything (New York: Pegasus, 2017; London: Weidenfeld and Nicolson, 2018).

Frank Close, The Infinity Puzzle: The Personalities, Politics, and Extraordinary Science behind the Higgs Boson (Oxford: Oxford University Press; New York: Basic Books, 2011).

Brian Greene, The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory (London: Jonathan Cape; New York: W.W. Norton, 1999).

Lisa Randall, Knocking on Heaven’s Door: How Physics and Scientific Thinking Illuminate the Universe and the Modern World (London: Bodley Head; New York: Ecco, 2011).

Carlo Rovelli, Reality Is Not What It Seems: The Journey to Quantum Gravity, trans. Simon Carnell and Erica Segre (London: Allen Lane, 2016; New York: Riverhead, 2017).

Lee Smolin, Three Roads to Quantum Gravity (London: Weidenfeld and Nicolson, 2000; New York: Basic Books, 2001).

Lee Smolin, Einstein’s Unfinished Revolution: The Search for What Lies Beyond the Quantum (London: Allen Lane; New York: Penguin, 2019).

Leonard Susskind, The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design (New York: Little, Brown, 2005).

Frank Wilczek, The Lightness of Being: Mass, Ether, and the Unification of Forces (Basic Books, 2008).

Примечания

1

Чуть позже я обязательно разъясню эти теории.

2

Опять же объясню позже.

3

Это заголовок статьи, написанной Хокингом в 1981 году: S.W. Hawking, Physics Bulletin32, no. 1 (1981): 15–17.

4

Конечно, красота не обязательно связана с простотой. Как и в случае с великими произведениями искусства, красота может заключаться и в сложности какого-то физического явления.

5

Для полноты картины я должен добавить, что пару десятков лет назад появилась новая дисциплина под названием «экспериментальная философия».

6

Конечно, историки науки будут спорить с этим утверждением. Галилей предложил свою гелиоцентрическую теорию не сразу, он сначала высказал только некоторые положения, наводящие на эту мысль (например, о лунах Юпитера).

7

Цитата из знаменитой книги Галилея «Пробирных дел мастер» (итал. Il Saggiatore), опубликованной в Риме в 1623 году.

8

Самый дальний видимый с Земли свет с самого края видимой Вселенной достигает Земли за 13 миллиардов лет и показывает нам, какова была Вселенная, когда она была моложе. Однако из-за расширения Вселенной источники этого света находятся уже гораздо дальше, чем 13 миллиардов световых лет.

9

В одной секунде больше аттосекунд, чем прошло секунд после Большого взрыва.

10

Здесь я использую это слово в его общем смысле, а не в специальном, как его понимают некоторые физики, работающие в области статистической механики. Там термин «универсальность» в том виде, как его предложил американский физик Лео Каданоф в 1960-х годах, относится к тем свойствам некоего класса физических систем, которые не зависят от их структуры и динамики, а могут, напротив, быть выведены из нескольких глобальных параметров.

11

На самом деле Роберт Хук написал свою работу еще до Ньютона.

12

В этой работе, опубликованной в 1972 году (P. W. Anderson, Science, 177 (4047): 393–396), Андерсон изложил свои аргументы против крайнего редукционизма. В качестве примера он использовал иерархию научных дисциплин, расположенных в линейном порядке, от физики, как «фундаментальной» науки, до химии, биологии, психологии и социальных наук. Эта иерархия, по его словам, не подразумевает, что одна из областей является просто прикладной версией следующей по порядку, поскольку «на каждой стадии необходимы совершенно новые законы, концепции и обобщения, которые требуют столь же глубоких прозрений и творческого подхода, как и на предыдущем уровне. Психология не является прикладной биологией, а биология не является прикладной химией». Я считаю, что это не такой уж сильный аргумент против редукционизма. Фундаментальность концепции не зависит от ее глубины или от того, насколько вдохновенный и творческий подход требуется для ее понимания.

13

From the 1911 edition of The Philosophical Works of Descartes (Cambridge University Press), translated by Elizabeth S. Haldane, p. 135.

14

Это техническая деталь. В основе своей общая теория относительности касается неинерциальных систем, когда пространственно-временная зависимость выглядит искривленной из-за силы тяготения или ускорения. В таких неинерциальных системах вы можете путем измерения получить постоянную скорость света только при условии, что объект проходит в непосредственной близости от вас.

15

Скорость света в пустом пространстве составляет 1 079 252 848,8 км/ч.

16

Три кварка образуют нуклон, но они могут встречаться и парами (точнее говоря, кварк и антикварк), образуя новый класс частиц под названием «мезоны». Мы еще не знаем наверняка, могут ли кварки вступать в сочетания, образуя еще более экзотичные составные частицы – тетракварки, которые состояли бы из двух кварков и двух антикварков, или пентакварки из четырех кварков и одного антикварка.

17

Заметьте, что я употребил здесь термин «масса». По массе 92 % атомов во Вселенной – это водород, а 8 % – гелий (поскольку гелий обладает в четыре раза большей массой, чем водород).

18

Альфа-частицы – это ядра гелия, элемента, следующего по массе за водородом. Они состоят из четырех нуклонов, двух протонов и двух нейтронов.

19

Частицы другого типа, переносчики силы вроде протонов, называются бозонами и не имеют античастиц.

20

Термин «орбита» здесь не совсем уместен, поскольку атом – это не Солнечная система в миниатюре, а электроны – это не частицы с определенным расположением, которые, подобно крошечным планетам, вращаются вокруг Солнца.

21

Конечно, в этом пункте мои копенгагенские коллеги будут со мной не согласны. Они утверждают, что прекрасно понимают все, что квантовая механика может и не может нам рассказать, и что именно реалисты отказываются это понять и принять.

22

Однако некоторые интерпретации реалистов, такие как модели спонтанного коллапса, позволяют делать прогнозы, недоступные другим, так что, в принципе, их можно проверить.

23

Конечно, если мы имеем дело с малым количеством молекул, притяжение никогда не будет играть основную роль в их поведении. Только при наличии огромного числа молекул кумулятивная масса может иметь какое-то гравитационное значение.

24

Конечно, некоторые события более вероятны, чем другие… Я почти полностью уверен, что Солнце завтра взойдет, а я стану на день старше. И я практически не сомневаюсь, что, проснувшись, я не заговорю бегло по-японски и не смогу пробежать 100 метров менее чем за 10 секунд.

25

Поскольку это зависит от выбора интерпретации квантовой механики.

26

Их с тем же успехом можно было бы назвать левым и правым, черным и белым, инь или ян – главное, чтобы они были противоположны друг другу.

27

Другой вид частиц, состоящих из кварков, под названием «мезоны», содержат кварк и антикварк, которые должны обладать одинаковым цветовым зарядом, поскольку античастицы всегда обладают противоположными свойствами. Так, бывают мезоны, состоящие из красного кварка (определенного аромата, верхнего, нижнего или странного) и анти-красного кварка другого аромата. Ароматы кварка и антикварка определяют вид мезона, тогда как их цвет и антицвет погашают друг друга, обеспечивая бесцветность частицы. Сложно? А как же иначе!

28

Конечно, существуют материальные частицы, такие как нейтрино, которые тоже не ощущают воздействия электромагнитной силы. Однако они взаимодействуют с другими видами материи посредством слабого ядерного взаимодействия, так что темной материей они не являются. Может выясниться, что даже темная материя взаимодействует с окружением через одну из трех сил, однако это взаимодействие должно быть чрезвычайно слабым (а то бы мы его давно измерили). Физики еще не оставили надежду найти такое негравитационное взаимодействие, поскольку это дало бы шанс обнаружить частицы темной материи или создать их в ускорителе.

29

Спутник-исследователь космического фона, известный также как «Эксплорер-66», выполнял космологические задачи в 1989–1993 годах. Он должен был исследовать космическое микроволновое фоновое излучение во Вселенной.

30

Массивные частицы со слабым взаимодействием.

31

Массивные частицы с гравитационным взаимодействием.

32

Трудно визуализировать то, что мы представляем себе как плоское 3D-пространство. Самый простой путь – ограничить наше пространство двумя измерениями. Ведь совершенно понятно, что страница в книге – плоская, а поверхность мяча – нет.

33

Конечно, эта энергия не возвращается в мышцы ваших рук, а уходит на нагрев среды вокруг шарика.

34

Это происходит потому, что согласно квантовой механике время обратимо. Поэтому, точно так же, как квантовое состояние сейчас однозначно предопределяет будущее состояние, будущее квантовое состояние однозначно предопределяет прошедшее. Но это было бы невозможно, если бы информация, сохранившаяся в этом состоянии, была уничтожена.

35

Сокращенное наименование антидеситтеровской полевой теории.

36

Возможно, он скажет нам, что ответ равен 42.

37

Конечно, я не утверждаю, что мы узнали это только благодаря работам физиков, я мог бы сказать то же самое, если бы писал о химии, инженерии или математике.

38

Я имею в виду теории в естественных науках, а не, допустим, в экономике или психологии.

Content

Джим Аль-Халили
Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Предисловие

Глава 1. Трепет понимания

Чего мы не знаем

Как мы продвигаемся вперед

Поиск простоты

Глава 2. Масштаб

Универсальность

Симметрия

Редукционизм

Пределы универсальности

Глава 3. Пространство и время

Как физики определяют пространство и время

Специальная теория эйнштейна

Общая теория Эйнштейна

Расширение пространства

Глава 4. Энергия и материя

Энергия

Материя и масса

Строительные блоки материи

Краткая история материи и энергии

Глава 5. Квантовый мир

Азбука квантовой механики

Что все это значит

Запутанность, измерение и декогерентность

Глава 6. Термодинамика и стрела времени

Статистическая механика и термодинамика

Направленность времени

Детерминизм и случайность

Что такое время

Глава 7. Унификация

Квантовая теория поля

Поиск квантовой гравитации

Теория струн

Петлевая квантовая гравитация

Глава 8. Будущее физики

Темная материя

Темная энергия

Инфляция и мультивселенные

Информация

ЭР = ЭПР

Кризис в физике?

Причины для оптимизма

Глава 9. Полезность физики

Когда физика, химия и биология встречаются друг с другом

Квантовая революция продолжается

Квантовые компьютеры и наука XXI века

Глава 10. Думай как физик

О честности и сомнении

О теории и знании

О правде

Физика – это человек

Благодарности

Что еще почитать

Примечания