Интеллектуальные развлечения. Интересные иллюзии, логические игры и загадки.

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Посвящается Трэйси
The fabric of the cosmos: space, time and the texture of reaity / Brian R. Greene.
Random House, Inc., New York, 2004
ISBN 0-375-41288-3
© Copyright перевод Юрий Артамонов
2006

Предисловие

Пространство и время притягивают воображение как никакой другой объект науки. И не без оснований. Они формируют арену реальности, ту самую ткань космоса. Наше существование в целом – все, что мы делаем, думаем и чувствуем, – имеет место в некоторой области пространства в течение некоторого интервала времени. До сих пор наука бьется за понимание того, что в действительности представляют из себя пространство и время. Являются ли они реальными физическими сущностями или просто удобными идеями? Если они реальны, то являются ли они фундаментальными или они суть проявления более основополагающих составных частей? Что означает для пространства быть пустым? Имеет ли время начало? Имеет ли оно направленность, неумолимо протекая из прошлого в будущее, как нам подсказывает повседневный опыт? Можем ли мы манипулировать пространством и временем? В этой книге мы проследим три сотни лет страстных научных изысканий в поисках ответов или хотя бы проблесков ответов на подобные основополагающие и глубокие вопросы о природе вселенной.

Наше путешествие вновь и вновь будет приводить нас к другим, тесно связанным вопросам, тоже охватывающим нечто неуловимое: Что есть реальность? Мы, люди, имеем доступ только к внутренним переживаниям от ощущений и мышления, так как же мы можем быть уверены, что они правильно отражают внешний мир? Философы долго постигали эту проблему. Кинематографисты популяризировали ее через серии историй про искусственные миры, которые создавались путем тонкой нейростимуляции и существовали исключительно в разуме их носителя. И физики, как и ваш покорный слуга, остро осознают, что наблюдаемая нами реальность – материя, эволюционирующая на платформе пространства и времени, – может иметь мало отношения к реальности, которая находится где-то далеко, если таковая имеет место. Тем не менее, поскольку наблюдения – это все, что мы имеем, мы воспринимаем их всерьез. Мы выбираем в качестве путеводителя надежные данные опытов и структуру математики, а не безудержные фантазии или жесткий скептицизм, и разыскиваем простейшие из теорий с наибольшей сферой охвата, способные объяснить и предсказать результаты сегодняшних и будущих экспериментов. Такой подход весьма сильно ограничивает рассматриваемые нами теории. (В этой книге, например, мы не собираемся искать намеки на то, что я плаваю в капсуле, соединенной с тысячами стимулирующими мозг проводами, которые внушают мне единственную мысль, что я сейчас пишу этот текст). Однако, в течение последнего столетия исследования в физике вызвали пересмотр нашего повседневного восприятия реальности, который настолько же драматичен, настолько же переворачивает ум и настолько же смешивает системы понятий, как это делает самая богатая на воображение научная фантастика. Эти революционные потрясения будут сопровождать наш поход на протяжении следующих страниц. Многие из вопросов, которые мы исследуем, являются, хотя и в разных видах, теми же самыми, которые заставляли морщить лоб Аристотеля, Галилея, Ньютона, Эйнштейна и многих и многих других на протяжении эпох. И поскольку эта книга стремится передать идеи науки в действии, мы следуем за этими вопросам так, как они были озвучены, снабжены ответами в одном поколении, опровергнуты его наследниками, уточнены и заново интерпретированы учеными последующих столетий.

Например, по поводу запутанного вопроса, является ли полностью пустое пространство, подобное чистому холсту, реальной сущностью или просто абстрактной идеей, мы следуем за маятником научных взглядов, когда он качается между декларацией 17-го века Исаака Ньютона о том, что пространство реально, заключением Эрнста Маха в 19-м веке о том, что это не так, и драматической переформулировкой самого вопроса, совершенной Эйнштейном в 20-м веке, в которой он связал воедино пространство и время и почти совершенно опроверг Маха. Затем мы столкнемся с последующими исследованиями, которые еще раз трансформировали вопрос путем переопределения понятия "пустой", заметив, что пространство неизбежно заполнено тем, что называется квантовыми полями и, вероятно, рассеянной однородной энергией, называемой космологической постоянной, – современным отголоском старого и дискредитированного представления о заполняющем пространство эфире. И, более того, мы затем опишем, как планируемые в космосе эксперименты могут частично подтвердить характерные черты выводов Маха, что оказывается в согласии с эйнштейновской общей теорией относительности, хорошо иллюстрируя очарование и запутанную паутину научного поиска.

В нашу собственную эру мы столкнемся с впечатляющим взглядом инфляционной космологии на стрелу времени, богатым выбором дополнительных пространственных измерений в теории струн, радикальным указанием М-теории на то, что пространство, в котором мы обитаем, может быть кусочком, плавающим в большем космосе, и современные дикие спекуляции на тему, что видимая нами вселенная может оказаться не более, чем космической голограммой. Мы еще не знаем, окажется ли большинство из этих новейших теоретических предположений верными. Но, соглашаясь, что звучат они скандально, мы принимаем их всерьез, так как они – это то, к чему привел наш настойчивый поиск глубинных законов вселенной. Странная и необычная реальность может вырасти не только из богатого воображения научной фантастики, она может также появиться из поисков на переднем крае современной физики.

Ткань Космоса предназначается, преимущественно, для массового читателя, который не имеет или имеет мало формального опыта в науке, но который жаждет понимать, как явления вселенной обеспечивают стимул для развития большого числа сложных и спорных концепций. Как и в моей первой книге, Элегантная Вселенная, я повсюду сосредоточился на ядре научных идей, исключив математические детали в пользу метафор, аналогий, историй и иллюстраций. Когда мы достигаем более сложных разделов книги, я предупреждаю читателя и предоставляю короткие обобщения для тех, кто решит пропустить или поверхностно ознакомиться с более углубленными обсуждениями. Таким образом, читатель должен быть в состоянии пройти путь открытий и получить не просто знание о текущем общем взгляде на физику, но и понимание того, как и почему этот общий взгляд получает преимущество.

Студенты, читатели, интересующиеся общими разделами науки, преподаватели и профессионалы также должны найти в книге много интересного. Хотя начальные главы охватывают необходимый, но стандартный основополагающий материал по теории относительности и квантовой механике, акцент на единстве и реальности пространства и времени в этом подходе отчасти необычен.

Следующие главы охватывают широкий перечень явлений – некоторые из них: теорема Белла, эксперименты с отложенным выбором, квантовые измерения, ускоряющееся расширение, вероятность создания черных дыр в следующем поколении ускорителей частиц, фантастические червоточины, машины времени, – и должны обогатить читателей знанием о большом числе наиболее любопытных и обсуждаемых достижений.

Некоторый материал, который я охватил, является спорным. Для тех публикаций, которые остаются дискуссионными, я обсудил ведущие точки зрения в основном тексте. Для спорных вопросов, по которым я чувствую, что достигнуто некоторое согласие, я перенес обсуждение отличных точек зрения в комментарии. Некоторые ученые, а именно те, которые придерживаются нераспространенных точек зрения, могут отвергнуть некоторые из моих вердиктов, но на протяжении основного текста и комментариев я старался соблюсти баланс трактовок. В комментариях особенно прилежный читатель найдет также более полные истолкования, объяснения и углубления тех позиций, которые я упростил, а также (для тех, кто к этому склонен) краткие математические дополнения к использованным в основном тексте описаниям без уравнений. Краткий толковый словарь обеспечивает быстрые пояснения для некоторых из более специальных научных терминов.

Книга даже такого объема не может исчерпать обширную тему пространства и времени. Я сосредоточился на тех особенностях, которые я нахожу одновременно как наиболее интересными, так и существенными для формирования полной картины реальности, которую рисует современная наука. Нет сомнений, что многое из этого выбора отражает персональный вкус, и я прошу прощения у тех, кто сочтет, что его собственной работе или передовой области исследований не было уделено адекватного внимания.

Во время написания Ткани Космоса мне посчастливилось получить существенный отклик от большого числа привлеченных читателей. Рафаэль Каспер, Льюбос Мотл, Дэвид Стейнхардт и Кен Вайнберг прочитали различные версии готовой рукописи, временами повторно, и предложили многочисленные, детальные и глубокие советы, которые существенно повысили как ясность, так и точность изложения. Я выражаю им сердечную благодарность. Дэвид Альберт, Тэд Балтц, Николас Боулз, Трэйси Дэй, Петер Демчук, Ричард Истер, Анна Холл, Кит Голдсмит, Шелли Голдстейн, Майкл Гордин, Джошуа Грин, Артур Гринспун, Гэвин Гуерра, Сандра Кауфман, Эдвард Кастенмайер, Роберт Крулвич, Андрей Линде, Шани Оффен, Маулик Парик, Майкл Поповитц, Мэриин Скалли, Джон Стэйчел и Ларс Стрэйтер прочитали всю рукопись или ее часть, их комментарии были исключительно полезны. Я получил большую помощь от бесед, в которых участвовали Андреас Альбрехт, Майкл Бассет, Шон Кэррол, Андреа Кросс, Рита Грин, Алан Гут, Марк Джексон, Дэниэл Кабат, Уилл Кинней, Джастин Хоури, Хирания Пэйрис, Сол Периматтер, Конрад Шалам, Пол Стейнхардт, Леонард Сасскайнд, Нейл Турок, Генри Туе, Уильям Вармус и Эрик Вайнберг. Я должен специально поблагодарить Рафаэля Гуннера, чей острый ум, проявившийся в точных аргументах, и чья готовность критиковать мои старания оказались неоценимы. Эрик Мартинец обеспечил важную и неустанную помощь на стадии издания книги, а Джейсон Северс проделал звездную работу по созданию иллюстраций. Я благодарю моих агентов, Катинку Мэтсон и Джона Брокмана. И я в большом долгу признательности моему издателю Марти Эшеру за постоянный источник поощрения, советов и резкого проникновения в суть, что в значительной степени улучшило качество изложения.

На протяжении моей карьеры мои научные исследования финансировались Департаментом Энергии, Национальным Научным Фондом и Фондом Альфреда П. Слоана. Я с благодарностью выражаю свою признательность за их поддержку.

I Арена реальности

1 Дороги к реальности

ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ И ПОЧЕМУ ВЕЩИ ТАКОВЫ, КАКОВЫ ОНИ ЕСТЬ

Книги в старом пыльном книжном шкафу моего отца не были под запретом. Однако, пока я рос, я никогда не видел, чтобы кто-нибудь вынимал их. Наиболее массивные тома – полная история цивилизации, серии томов великих произведений литературы вестерна, многих других я не могу уже вспомнить, – казались почти слившимися с полками, что слабо прогибались от десятилетий жесткой нагрузки. Но на подъеме к самой высокой полке был тонкий небольшой текст, который то и дело привлекал мои глаза, поскольку он казался слишком неуместным, как Гулливер среди бробдингнагцев. Оглядываясь назад, я не вполне могу вспомнить, почему я так долго выжидал, прежде чем ознакомиться с ним. Вообще, с годами книги кажутся в меньшей степени материалом, который ты прочитал, и в большей степени фамильной ценностью, которой ты восторгался издалека. В конце концов, такая почтительность дает путь к завершению юности. Я дотянулся до маленького текста, сдул с него пыль и открыл на первой странице. Первые несколько строк были, чтобы не сказать больше, поразительными.

"Имеется одна по-настоящему философская проблема и это самоубийство". Я содрогнулся. "Имеет или нет мир три измерения или разум девять или двенадцать категорий", продолжался текст, "проявится позже"; такие вопросы, объяснял текст, являются частью игры, в которую играет человечество, но они заслуживают внимания только после того, как будет определен правильный исход жизни. Книга была Миф о Сизифе и была написана философом алжирского происхождения и нобелевским лауреатом Альбером Камю. Со временем ледяное ощущение от этих слов растаяло под светом понимания. Да, конечно, думал я. Вы можете обдумывать ту или иную проблему или анализировать, что будет после дождичка в четверг, но настоящий вопрос заключается в том, будут ли убеждать вас все ваши размышления и анализы, что жизнь стоит того, чтобы быть прожитой.

Это значит, что все приходит к краху. Все другое – это мелочи.

Моя случайная удачная встреча с книгой Камю должна была произойти во время периода особой впечатлительности; его слова стоят передо мной более, чем любые другие, прочитанные мной. С течением времени я снова представлял себе, как разные люди, с которым я встречался, или о которых слышал или видел по телевизору, будут отвечать на этот главнейший из всех вопросов. Однако, ретроспективно, это второе утверждение Камю – относительно роли научного прогресса – является особым вызовом для меня. Камю признавал важность понимания структуры вселенной, но, как я уже говорил, он отвергал возможность, что такое понимание может внести изменение в нашу оценку ценности жизни. Конечно, мое юношеское чтение экзистенциальной философии было похоже на такое же извращение, как чтение романтической поэзии Бартом Симпсоном, но даже так заключение Камю потрясло меня и оставило отметину. Такому упертому физику, как я, кажется, что содержательная оценка жизни обязательно требует полного понимания арены жизни – вселенной. Я не забываю думать, что если бы наш вид обитал в пещерах, выходящих в скрытые глубокие подземелья и до сих пор только таким образом узнавал земную поверхность, алмазный солнечный свет, океанский бриз и звезды, что лежат сверху, или если бы эволюция происходила по другому пути и мы получали бы знания только из наших тактильных ощущений от непосредственного окружения, или если бы ментальные способности человека останавливались в своем развитии во время раннего детства, так что наши эмоциональные и аналитические умения не прогрессировали бы выше тех, что мы имеем в пятилетнем возрасте, – короче, если наш жизненный опыт рисовал бы нам лишь ничтожную часть портрета реальности, – наше определение стоимости жизни было бы совершенно подорвано. Когда бы мы нашли, в конечном счете, наш путь к земной поверхности, или когда мы, в конце концов, добыли бы способность видеть, слышать, чувствовать запахи и вкус, или когда бы, наконец, наш разум получил свободу развиваться, как он это делает обычно, наш коллективный взгляд на жизнь и космос неизбежно радикально изменился бы. Наше предыдущее ущербное понимание реальности осветилось бы совершенно иным светом на эти наиболее фундаментальные из всех философских вопросов.

Вы можете спросить, ну и что с того? Конечно, всякая взвешенная оценка должна привести к заключению, что хотя мы не можем понять всего о вселенной, – понять каждый аспект поведения материи или функции жизни, – мы причастны к прояснению ситуации, к украшению холста природы взмахами широкой кисти. Конечно, как объявил Камю, прогресс в физике, такой как понимание числа пространственных измерений, или прогресс в нейропсихологии, такой как понимание всех организационных структур мозга, или, коли на то пошло, прогресс в любом числе других научных дисциплин может осуществиться в важных деталях, но его влияние на нашу оценку жизни и реальности будет минимальным. Конечно, реальность есть то, что мы думаем о ней; ральность обнаруживается нами через наш опыт.

В той или иной степени многие из нас придерживаются этого взгляда на реальность, пусть даже неявно. Я определенно нахожусь в раздумьях об этом в повседневной жизни; легко обмануться, что лицо природы открывается непосредственно нашим чувствам. К тому же за десятилетия, прошедшие с первого знакомства с текстом Камю, я понял, что современная наука рассказывает очень разные истории. Обобщающий урок, который вытекает из расследования науки за последнее столетие, заключается в том, что человеческий опыт часто вводит в заблуждение, если руководствоваться им, двигаясь к правильной природе реальности. Прямо под поверхностью каждого дня лежит мир, который мы с трудом постигаем. Последователи оккультизма, посвященные астрологии и те, кто придерживается религиозных принципов, которые говорят о реальности вне опыта, с давних пор пришли к сходному заключению. Но это не то, что я имею в виду. Я ссылаюсь на работы изобретательных новаторов и неутомимых исследователей – мужчин и женщин науки, – которые слой за слоем снимают одежды космической луковицы, решают загадку за загадкой, и открывают вселенную, которая одновременно удивительна, непривычна, возбуждающа, элегантна и совершенно не похожа на то, что кто-либо мог ожидать.

Эти исследования разнообразны в деталях. Прорывы в физике вызывали и продолжают вызывать драматические изменения в нашей концепции космоса. Я остаюсь убежденным теперь, как был и десятки лет назад, что Камю справедливо выбрал стоимость жизни как основной вопрос, но понимание современной физики склонило меня к тому, что оценивание жизни через линзу повседневного опыта напоминает рассматривание Ван Гога через пустую бутылку колы. Современная наука подвергается одним нападкам за другими на основании умозаключений, сделанных из наших рудиментарных ощущений, часто дающих затуманенное представление о мире, в котором мы обитаем. Так что, когда Камю выделяет физические вопросы и обозначает их, как вторичные, я становлюсь убежденным, что они главные. Для меня физическая реальность как предоставляет арену, так и обеспечивает толкование для борьбы с вопросами Камю. Оценка существования при одновременном отказе от попытки воспользоваться пониманием современной физики похожа на борьбу в темноте с неизвестным противником. При углублении нашего понимания правильной природы физической реальности мы основательно перерабатываем наше ощущение самих себя и наше восприятие вселенной.

Центральной темой этой книги является объяснение некоторых из наиболее заметных и стержневых переосмыслений нашей картины реальности с особым вниманием на те из них, которые влияют на долгосрочный проект человечества по пониманию пространства и времени. От Аристотеля до Эйнштейна, от астролябии до Космического телескопа Хаббла, от пирамид до горных обсерваторий пространство и время придают форму мышлению с тех пор, как мышление началось. С наступлением эры современной науки их важность гигантским образом возросла. За последние три столетия разработки физики раскрыли пространство и время как наиболее сбивающие с толку и наиболее спорные концепции, и как наиболее эффективные концепции в нашем научном анализе вселенной. Эти разработки также показали, что пространство и время возглавляют список самых старых научных конструкций, которые фантастическим образом пересматриваются передовыми исследованиями.

Для Исаака Ньютона пространство и время просто были – они формировали инертную универсальную космическую платформу, на которой сами собой разыгрывались события вселенной. Для его современника и часто соперника Готфрида Вильгельма фон Лейбница "пространство" и "время" были только названиями отношений между тем, где были объекты и когда имели место события. Ничего более. Но для Альберта Эйнштейна пространство и время были сырым материалом, лежащим в основе реальности. Через свои теории относительности Эйнштейн потряс наши представления о пространстве и времени и раскрыл принципиальную роль, которую они играют в эволюции вселенной. С тех пор пространство и время постоянно являются сверкающим драгоценным камнем физики. Они одновременно привычны и мистичны; полное понимание пространства и времени стало для физиков самым пугающим вызовом и вожделенным призом.

Исследования, которые мы охватим в этой книге, сплетают ткань пространства и времени различными путями. Некоторые идеи будут настаивать, что свойства пространства и времени настолько основополагающие, что на столетия, если не на тысячелетия, они кажутся вне обсуждаемых вопросов. Другие будут искать связь между нашими теоретическими представлениями о пространстве и времени и характерными чертами, которые мы в целом знаем по опыту. Еще другие будут поднимать вопросы, не исследуемые в пределах границ обычного восприятия.

Мы только в минимальной степени будем говорить о философии (и совсем не будем о самоубийстве и смысле жизни). Но в нашем научном поиске для решения тайн пространства и времени мы будем непоколебимы и неудержимы. От мельчайшей частицы вселенной и самого раннего момента времени к ее удаленнейшим областям и самому отдаленному будущему мы будем исследовать пространство и время в окружающей среде, как привычной, так и отдаленной, с твердым взглядом отыскивая их правильную природу. Поскольку история пространства и времени еще только пишется полностью, мы не хотим выносить какие-либо окончательные оценки. Однако, мы столкнемся с сериями исследований – отчасти в высшей степени странными, отчасти более удовлетворительными, отчасти экспериментально проверенными, отчасти совершенно спекулятивными, – которые покажут, насколько близко мы подошли к вплетению нашего ума в ткань космоса и к прикосновению к правильной структуре реальности.

Классическая реальность

Историки расходятся в оценках, когда началась эра современной науки, но обычно о времени Галилео Галилея, Рене Декарта и Исаака Ньютона они говорят, что это было освежающее движение вперед. В те дни новое научное мышление прочно вышло на ведущие позиции, в то время как результаты, полученные в земных и астрономических опытах, делали все более ясным, что имеется порядок во всем, приходящим из космоса и уходящим в космос, порядок, пригодный для осторожных рассуждений и математического анализа. Эти первопроходцы современного научного мышления приводили аргументы, что если придерживаться правильного пути, происходящее во вселенной не только объяснимо, но и предсказуемо. Сила науки для предсказания аспектов будущего – согласованного и количественного – была раскрыта.

Ранее научное исследование фокусировалось на видах вещей, которые можно видеть или ощущать в повседневной жизни. Галилей сбрасывал тяжести с наклонной башни (или так гласит легенда) и наблюдал за шариками, скатывающимися по наклонной плоскости; Ньютон изучал падающие яблоки (или так гласит легенда) и орбиту Луны. Целью этих исследований было приспособление нарождающегося слуха науки к природным гармониям. Есть уверенность, что физическая реальность была материалом для ощущений, но сложной задачей было услышать рифму и причину за ритмом и регулярностью. Многие воспетые и невоспетые герои внесли вклад в быстрый и впечатляющий прогресс, который был осуществлен, но Ньютон обошел всех. С горсткой математических уравнений он воспроизвел все известное о движении на земле и в небесах и, делая это, соединил главные моменты, прийдя к тому, что известно как классическая физика.

В течение десятилетий, следующих за трудами Ньютона, его уравнения были развиты в законченную математическую структуру, что существенно расширило как их область действия, так и практическую ценность. Классическая физика постепенно стала изощренной и зрелой научной дисциплиной. Но ясно сияющим сквозь все эти достижения остается сигнальный огонь оригинального прозрения Ньютона. Даже сегодня, более чем через три сотни лет, вы можете увидеть ньютоновские уравнения, небрежно написанные во всем мире мелом на школьных досках при введении в физику, напечатанные в расчетах траекторий в полетных планах НАСА и встроенные в сложные расчеты передовых исследований.

Ньютон привел богатство физических явлений в простые теоретические рамки.

Однако, во время формулирования своих законов движения Ньютон столкнулся с критически сбивающим с толку препятствием, одним из тех, что особенно важны для нашей истории (Глава 2). Каждый знает, что вещи могут двигаться, но как насчет арены, в рамках которой движение имеет место? Хорошо, мы все ответим, это пространство. Но, отзовется Ньютон, что есть пространство? Является ли пространство физической сущностью или это абстрактная идея, рожденная усилиями человека для осмысления космоса? Ньютон осознавал, что на этот ключевой вопрос должен быть ответ, поскольку без установления смысла пространства и времени его уравнения, описывающие движение, оказываются бессмысленными. Понимание требует контекста; проникновение в суть должно быть закреплено.

Итак, через несколько коротких высказываний в своих Принципах математики Ньютон озвучил концепцию пространства и времени, декларируя абсолютные и неизменные сущности, которые обеспечивают вселенной жесткую, не подверженную изменениям арену. Согласно Ньютону, пространство и время обеспечивают невидимую платформу, которая дает вселенной порядок и структуру. Никто не согласился. Некоторые убедительно аргументировали, что имеет мало смысла приписывать существование тому, что вы не можете почувствовать, схватить или подвергнуть воздействию. Но объяснительная и предсказательная сила ньютоновских уравнений успокоила критику. В течение следующих двух сотен лет его абсолютная концепция пространства и времени была догмой.

Релятивистская реальность

Классический ньютоновский взгляд на мир радовал. Он не только описывал природные явления с поразительной точностью, но и детали описания – математика – строго соответствовали опыту. Если вы что-либо толкнете, его скорость возрастет. Чем сильнее вы бросите мяч, тем большее сотрясение он получит, когда шлепнется о стену. Если вы давите на что-либо, вы чувствуете его обратное давление на вас. Чем более массивным является предмет, тем сильнее его гравитационное притяжение. Все это находится в числе наиболее основных свойств естественного мира, и когда вы изучаете теорию Ньютона, вы видите их представление в его уравнениях, ясных как день. В отличие от необъяснимого фокуса-покуса с магическим кристаллом действие ньютоновских законов демонстрировало полноту для всех с минимальной математической тренировкой. Классическая физика обеспечила строгое основание для человеческой интуиции.

Ньютон включил силу гравитации в свои уравнения, но так было до 1860х годов, пока шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл не расширил рамки классической физики, приняв во внимание электрические и магнитные силы. Максвеллу понадобилось создать дополнительные уравнения, и математика, которую он применил, потребовала более высокого уровня тренировки, чтобы понять ее полностью. Но его новые уравнения были во всех отношениях столь же успешны для объяснения электрических и магнитных явлений, как ньютоновские были успешны для объяснения движения. С конца 1800х было очевидно, что секреты вселенной больше не сопротивляются силе человеческого интеллектуального могущества.

В самом деле, с успешным присоединением электрических и магнитных сил, было растущее ощущение, что теоретическая физика скоро завершится. Физики, предполагали некоторые, быстро получат конечные объекты, и их законы скоро будут высечены в камне. В 1894 известный физик-экспериментатор Альберт Майкельсон заметил, что "большинство из великих основопологающих принципов твердо установлены", и он сослался на "видного ученого", – вероятнее всего, это был британский физик лорд Кельвин, – который сказал, что все, что остается, – это детали определения некоторых чисел до более высоких десятичных цифр после запятой.[1] В 1900 Кельвин сам отметил, что "два облачка" нависают на горизонте, первое связано со свойствами движения света, а второе с поведением излучающих объектов, испускающих излучение при нагревании, но есть полная уверенность, что это всего лишь детали, которые, несомненно, скоро найдут свои объяснения.[2]

В течение десяти лет все изменилось. Как и ожидалось, две проблемы, которые поднял Кельвин, быстро нашли свои объяснения, но они оказались какими угодно, но только не незначительными. Каждая породила революцию, и каждая потребовала фундаментального переписывания законов природы. Классические концепции пространства, времени и реальности – те самые, которые на протяжении сотен лет не только работали, но также лаконично выражали наши интуитивные ощущения мира, – были низвергнуты.

Релятивистская революция, к которой привело первое из "облачков" Кельвина, датируется 1905 и 1915 годами, когда Альберт Эйнштейн завершил свои специальную и общую теории относительности (Глава 3). Во время борьбы с головоломками, включающими электричество, магнетизм и движение света, Эйнштейн осознал, что ньютоновская концепция пространства и времени, краеугольный камень классической физики, раскололась. После нескольких недель интенсивного труда весной 1905 он определил, что пространство и время не являются независимыми и абсолютными, как думал Ньютон, а являются запутанными и относительными таким способом, который бросает вызов повседневному жизненному опыту. Примерно через десять лет Эйнштейн вбил последний гвоздь в гроб ньютонианства, переформулировав законы гравитационной физики. В это время, но не только, Эйнштейн показал, что пространство и время являются частью единого целого, он также показал, что через деформации и искривления они принимают участие в космической эволюции. В отличие от жестких и неизменных структур, которые представлял Ньютон, пространство и время в переработке Эйнштейна эластичны и динамичны.

Две теории относительности являются наиболее драгоценными достижениями человеческого рода, и с их помощью Эйнштейн опрокинул ньютоновскую концепцию реальности. Даже если ньютоновская физика, кажется, сильно поддерживает математически то, что мы ощущаем физически, действительность, которую она описывает, не является действительностью нашего мира. Наша действительность релятивистская. К тому же, поскольку различие между классической и релятивистской реальностями проявляется только в экстремальных условиях (таких как экстремально высокие скорости и гравитация), ньютоновская физика все еще обеспечивает приближение, которое демонстрирует экстремальную точность и применимо во многих условиях. Но утилитарность и реальность суть очень разные стандарты. Как мы увидим, характерные черты пространства и времени, которые для многих из нас являются второй натурой, оказались фикцией, вытекающей из ложных ньютоновских взглядов.

Квантовая реальность

Вторая аномалия, о которой упоминал лорд Кельвин, привела к квантовой революции, одному из величайших потрясений, которому когда-либо подвергались современные человеческие представления. Со временем огонь утих и дым рассеялся, облицовка классической физики была отменена вновь возникшими рамками квантовой реальности.

Коренная особенность классической физики заключается в том, что если вы знаете положения и скорости всех объектов в отдельный момент времени, ньютоновские уравнения вместе с их максвелловскими дополнениями могут предсказать вам их положения и скорости в любой другой момент времени, прошлый или будущий. Без всякой неопределенности классическая физика декларирует, что прошлое и будущее выгравированы в настоящем. Эта особенность также присуща как специальной, так и общей теориям относительности. Хотя релятивистские концепции прошлого и будущего более утонченные, чем их классические двойники (Главы 3 и 5), релятивистские уравнения вместе с полным знанием о настоящем определяют их так же полностью.

Однако, к 1930м годам физики приложили усилия для введения целой новой концептуальной схемы, названной квантовой механикой. Совершенно неожиданно они нашли, что только квантовые законы были в состоянии разрешить массу головоломок и объяснить многообразие вновь полученных данных из атомной и субатомной областей. Но в соответствии с квантовыми законами, даже если вы делаете максимально возможно точные измерения того, в каком состоянии вещи находятся сегодня, лучшее, что вы можете в любое время надеяться сделать, это предсказать вероятности того, что вещи будут в том или ином состоянии в некоторый выбранный момент времени в будущем, или что вещи были в том или ином состоянии в некоторый выбранный момент времени в прошлом. Вселенная, согласно квантовой механике, не выгравирована в настоящем; вселенная, согласно квантовой механике, принимает участие в игре случая. Хотя все еще идут споры о точности, с которой указанные исследования должны интерпретироваться, большинство физиков согласны, что вероятность глубоко вплетена в ткань квантовой реальности. В то время как человеческая интуиция и ее воплощение в классической физике рассматривают реальность, в которой вещи всегда определяемы в том или ином состоянии, квантовая механика описывает реальность, в которой вещи в какой-то момент времени находятся в неопределенности, в неясности существования, частично в одном состоянии и частично в другом. Вещи становятся определенными только тогда, когда на них воздействует подходящее наблюдение, чтобы отставить квантовые вероятности и получить определенный результат опыта. При этом результат, который реализуется, не может быть предсказан, – мы можем предсказать только возможность, что вещи окажутся в том или ином состоянии.

Это, окровенно говоря, странно. Мы не привыкли к реальности, которая остается неопределенной до восприятия. Но странности квантовой механики на этом не заканчиваются. По меньшей мере, поразительной является особенность, восходящая к статье Эйнштейна, написанной в 1935 с двумя юными коллегами, Натаном Розеном и Борисом Подольским, и предназначавшейся для атаки на квантовую теорию.[3] Вместе с происходившими затем извивами научного прогресса сейчас статья Эйнштейна может рассматриваться как одна из первых, указывающих, что квантовая механика – если брать по сути – подразумевает, что нечто, что вы сделали здесь, может мгновенно быть связанным с чем-то, происходящим где-то, несмотря на расстояние. Эйнштейн рассматривал такие мгновенные связи как нелепые и интерпретировал их появление из математики квантовой механики как свидетельство, что теория нуждается в больших доработках, прежде чем она достигнет приемлемой формы. Но в районе 1980х, когда как теоретические, так и технологические разработки привели экспериментальные наблюдения к рождению этих подразумевающихся квантовых абсурдностей, исследователи подтвердили, что возможна мгновенная связь между тем, что происходит в сильно удаленных друг от друга местах. При четких лабораторных условиях реально происходит то, что Эйнштейн считал абсурдом (Глава 4).

Проявления этих особенностей квантовой механики для нашей картины реальности являются объектом продолжающихся исследований. Многие ученые, я в том числе, рассматривают их как часть радикального квантового обновления смысла и свойств пространства. Обычно пространственная удаленность влечет за собой физическую независимость. Если вы хотите проконтролировать, что происходит на другой стороне футбольного поля, вы идете туда или, в самом крайнем случае, вы посылаете кого-нибудь или что-нибудь (ассистирующего тренера, скачущие молекулы воздуха, передающие речь, луч света для привлечения чьего-либо внимания и т.п.) через поле для передачи своего воздействия. Если вы не делаете этого, – если вы остаетесь пространственно изолированными, – вы не оказываете влияния, так как лежащее в промежутке пространство обеспечивает отсутствие физического взаимодействия. Квантовая механика ставит под вопрос такой взгляд, показывая, как минимум, в определенных обстоятельствах, способность преодолеть пространство; дальнодействующие квантовые взаимодействия могут обойти пространственное разделение. Два объекта могут находиться в пространстве на большом расстоянии друг от друга, но, что касается квантовой механики, они ведут себя так, как если бы они были единой сущностью. Более того, поскольку Эйнштейн нашел тесную связь между пространством и временем, квантовые взаимодействия также протягивают щупальца во времени. Мы коротко столкнемся с некоторыми остроумными и в полном смысле слова удивительными экспериментами, которые недавно исследовали ряд потрясающих пространственно-временных взаимодействий, которые влечет за собой квантовая механика, и, как мы увидим, они сильнейшим образом бросают вызов классическому интуитивному мировоззрению, которого большинство из нас придерживается.

Немотря на эти и многие другие впечатляющие наблюдения, остается одна из основополагающих особенностей времени, – то, что оно кажется имеющим направление из прошлого в будущее, – для которой ни теория относительности, ни квантовая механика не обеспечивают объяснения. Вместо этого убедительный прогресс пришел только из исследований в области физики, именуемой космологией.

Космологическая реальность

Раскрыть наши глаза на правильную природу вселенной всегда было одной из приоритетных целей физики. Тяжело представить себе, что многочисленные головоломные эксперименты учат, как мы имеем на протяжении последнего столетия, что реальность, которую мы ощущаем, является лишь отблеском существующей реальности. Но физика имеет также не менее важную заботу объяснить элементы реальности, которые мы действительно ощущаем. Из нашего быстрого марша сквозь историю физики может показаться, как будто это уже достигнуто и как будто повседневный опыт адресуется к достижениям физики до двадцатого века. В некоторой степени это правильно. Но даже когда речь идет о повседневности, мы далеки от полного понимания. И среди особенностей повседневного опыта, что сопротивляются полному объяснению, есть одна, которая приводит к одной из глубочайших нерешенных тайн в современной физике – тайне, которую великий британский физик сэр Артур Эддингтон назвал стрелой времени.[4] Мы принимаем на веру, что имеется направление, в котором вещи раскрываются во времени. Яйцо разбивается, но не собирается вновь; свечи плавятся, но не сплавляются назад; воспоминания относятся к прошлому, никогда к будущему; люди стареют, но не молодеют. Эти асимметрии управляют нашей жизнью; отличие между прямым и обратным во времени есть господствующий элемент экспериментальной реальности. Если прямое и обратное во времени проявляло бы ту же симметрию, какую мы видим между левым и правым, или между назад и вперед, мир был бы нераспознаваем. Яйцо складывалось бы так же часто, как и разбивалось; свечи сплавлялись бы так же часто, как и расплавлялись; мы помнили бы о будущем столько же, сколько и о прошлом; люди молодели бы так же часто, как и старели. Определенно, такая симметричная во времени реальность – не наша реальность. Но откуда происходит асимметрия времени? Что отвечает за это наиболее основное из всех свойств времени?

Оказывается, что известные и признанные законы физики не проявляют такой асимметрии (Глава 6): каждое направление во времени, вперед или назад, трактуется законами без отличий. И в этом причина великой головоломки. Ничто в уравнениях фундаментальной физики не отмечает рассмотрение одного направления во времени отлично от другого, и это полностью отличается от всего, что мы ощущаем.[5]

Удивительно, что даже если мы фокусируемся на обычных особенностях повседневной жизни, наиболее убедительное разрешение этого рассогласования между фундаментальной физикой и повседневным опытом требует от нас пристально рассмотреть наиболее необычное из событий – начало вселенной. Осмысление этого началось с работы великого физика девятнадцатого столетия Людвига Больцмана и за последующие годы разрабатывалось многими исследователями, наиболее примечательный из которых британский математик Роджер Пенроуз. Как мы увидим, специальные физические условия в начале вселенной (сильно упорядоченная внешняя среда в момент или сразу после Большого взрыва) могут оставить след в направлении времени, точно как завод часов, перевод их пружины в сильно упорядоченное начальное состояние позволяет им тикать вперед. Таким образом, в смысле, который мы можем определить, разбивание – в противоположность собиранию – яйца дает свидетельство условий при рождении вселенной примерно 14 миллиардов лет назад.

Эта неожиданная связь между повседневным опытом и ранней вселенной позволяет проникнуть в вопрос, почему события разворачиваются одним образом во времени и никогда обратным, но это не есть полное разрешение тайны стрелы времени. Наоборот, это сдвигает головоломку в область космологии – изучения происхождения и эволюции космоса в целом – и вынуждает нас искать, действительно ли вселенная имела высокоупорядоченное начало, как этого требует объяснение стрелы времени.

Космология находится среди старейших вещей, увлекающих наш род. И это не чудо. Мы рассказчики историй, а какая история может быть более великой, чем история творения? На протяжении последних нескольких тысячелетий мировые религиозные и философские традиции взвешивали версии, каким образом все сущее – вселенная – началось. Наука тоже за свою долгую историю прикладывала руки к космологии. Но было открытие Эйнштейном общей теории относительности, что отмечается как рождение современной научной космологии.

Вскоре после публикации Эйнштейном его общей теории относительности и он и другие применили ее ко вселенной в целом. В течение нескольких десятилетий их исследования привели к основным понятиям того, что сейчас называют теорией Большого взрыва, приближению, которое успешно объясняет многие особенности астрономических наблюдений (Глава 8). В середине 1960х свидетельства в поддержку космологии Большого взрыва еще более усилились после того, как наблюдения открыли почти однородный газ микроволнового излучения, пронизывающий пространство, – невидимый для невооруженного глаза, но легко измеримый микроволновыми детекторами, – что было предсказано теорией. И определенно, в 1970е после десятилетия подробных исследований и значительного прогресса в определении того, как основные явления в космосе соответствуют экстремальным начальным изменениям в тепле и температуре, теория Большого взрыва закрепила за собой место ведущей космологической теории (Глава 9).

Несмотря на свои успехи, теория страдает существенными недостатками. Она с трудом объясняет, почему пространство всюду имеет вид, открываемый детальными астрономическими наблюдениями, и она не позволяет объяснить, почему температура микроволнового излучения, интенсивно изучаемая с момента его открытия, оказывается строго однородной по небу. Более того, что имеет отношение первостепенной важности к обсуждаемой нами истории, теория Большого взрыва не обеспечивает неопровержимых доводов, почему вселенная могла быть более упорядочена вблизи самого начала, как требуется для объяснения стрелы времени.

Эти и иные спорные вопросы инспирировали серьезный прорыв в конце 1970х и начале 1980х, известный как инфляционная космология (Глава 10). Инфляционная космология модифицирует теорию Большого взрыва путем введения экстремально короткого периода поражающе быстрого расширения во время самой ранней вселенной (в этом приближении размер вселенной увеличился на множитель, больший чем миллион триллионов триллионов, за время, меньшее чем миллионная триллионной триллионной доли секунды). Как станет ясно, этот сумасшедший рост молодой вселенной обходным путем движется к заполнению дыры, остающейся в модели Большого взрыва, – к объяснению картины пространства и однородности микроволнового излучения, а также к предположению, почему ранняя вселенная могла быть высоко упорядоченной, – так что мы все переживаем существенный прогресс в объяснении как астрономических наблюдений, так и стрелы времени (Глава 11).

Однако, вопреки этим высоким достижениям, за два десятилетия инфляционная космология утаивала свой собственный смущающий вопрос. Как и стандартная теория Большого взрыва, которую она модифицирует, инфляционная космология основывается на уравнениях Эйнштейна, открытых вместе с его общей теорией относительности. Несмотря на большое число исследовательских статей, подтверждающих силу уравнений Эйнштейна для точного описания больших и массивных объектов, физики давно знают, что точный теоретический анализ малых объектов, – таких как наблюдаемая вселенная, когда ее возраст был всего лишь долю секунды, – требует использования квантовой механики. Проблема, однако, в том, что когда уравнения общей теории относительности пытаются объединить с уравнениями квантовой механики, результат получается бедственный. Уравнения полностью разрушаются, и это мешает нам определить, как родилась вселенная и выполнялись ли при ее рождении условия, необходимые для объяснения стрелы времени.

Не будет преувеличением описать эту ситуацию как кошмар теоретиков: отсутствие математических средств, с которыми нужно анализировать важнейшие области, которые лежат вне экспериментальной достижимости. И поскольку пространство и время так сильно связаны с этой специфической недостижимой областью – истоком вселенной, – понимание пространства и времени полностью требует от нас поиска уравнений, которые могли бы справиться с экстремальными условиями огромных плотностей, энергий и температур, характеризующих ранние моменты вселенной. Это абсолютно важнейшая цель и она, во что верят многие физики, требует разработки так называемой единой теории.

Единая реальность

На протяжении последних нескольких столетий физики пытались объединить наши представления о естественном мире, для чего пытались показать, что несходные и, очевидно, особые явления в действительности управляются одним набором физических законов. Для Эйнштейна эта цель объединения – объяснение широчайшего массива явлений через несколько физических принципов – стала страстью жизни. Своими двумя теориями относительности Эйнштейн объединил пространство, время и гравитацию. Но этот успех только раззадорил его на большие размышления. Он мечтал найти простую и все в себя включающую систему взглядов, способную охватить все законы природы; он называл эту систему взглядов единой теорией. Хотя теперь и тогда распространялись слухи, что Эйнштейн нашел единую теорию, все такие заявления оказывались необоснованными; мечта Эйнштейна осталась неисполненной.

Эйнштейновская сосредоточенность на единой теории на протяжении последних тридцати лет его жизни отстранила его от генерального пути физики. Многие более молодые физики рассматривали его отшельнические поиски величайшей из всех теорий как бред великого человека, который в свои последние годы свернул на ложный путь. Но за десятилетия с момента ухода Эйнштейна растущее число физиков подхватили его незавершенный поиск. Сегодня разработка единой теории расценивается как одна из наиболее важных проблем теоретической физики.

За многие годы физики нашли, что центральной помехой для реализации единой теории является фундаментальный конфликт между двумя главными прорывными направлениями физики двадцатого века: общей теорией относительности и квантовой механикой. Хотя эти две системы обычно применяются в сильно отличающихся областях – общая теория относительности для больших тел вроде звезд и галактик, квантовая механика для малых тел вроде молекул и атомов, – каждая теория претендует на универсальность и на способность работать во всех областях. Однако, как отмечалось выше, как только теории используются в связке, их объединенные уравнения дают бессмысленные ответы. Например, когда квантовая механика используется с общей теорией относительности для расчета вероятности некоторого процесса или имеет место иное включение гравитации, ответ, который часто находится, не похож на ответ вроде вероятности 24 процента, или 63 процента или 91 процент; вместо этого из объединенной математики неожиданно появляется бесконечная вероятность. Такая высокая вероятность не означает, что вы должны биться об заклад на нее, поскольку ее можно вспугнуть. Вероятности более 100 процентов бессмысленны. Расчеты, которые производят бесконечную вероятность, просто показывают, что объединенные уравнения общей теории относительности и квантовой механики сходят с ума.

Ученые осведомлены о напряженных отношениях между общей теорией относительности и квантовой механикой больше половины века, но в течение долгого времени сравнительно немногие чувствововали необходимость поиска решения. Вместо этого большинство исследователей использовали общую теорию относительности исключительно для анализа больших и массивных объектов, тогда как для квантовой механики отводили задачу исключительно анализа малых и легких объектов, тщательно удерживая каждую теорию на безопасном расстоянии от другой, так что их взаимная враждебность держалась под контролем. В течение лет эта попытка ареста позволила достигнуть ошеломляющих успехов в нашем понимании каждой из областей, но это не привело к прочному миру.

Очень немногие области – экстремальные физические ситуации, в которых объекты и массивны и малы, – попали прямо в демилитаризованную зону, требуя, чтобы общая теория относительности и квантовая механика воздействовали одновременно. Центр черной дыры, в которую обрушиваются целые звезды под их собственным весом в мельчайшую точку, и Большой взрыв, в котором целая наблюдаемая вселенная, как предполагается, была сжата до ядрышка, значительно меньшего, чем отдельный атом, представляют два наиболее типичных примера. Без успешного союза между общей теорией относительности и квантовой механикой конец коллапсирующей звезды и начало вселенной навсегда останутся тайнами. Многие ученые были настроены сохранять эти области подальше друг от друга или, как минимум, откладывали раздумья о них до появления другой, более разрешимой проблемы.

Но некоторые исследователи не могли ждать. Конфликт среди известных законов физики означает неспособность ухватить глубинную истину, и этого было достаточно, чтобы легко удержать этих ученых от покоя. Те, кто глубоко задумывается, находят глубины вод и бурление потоков. На протяжении длительного времени исследователи добились лишь небольшого прогресса; вещи выглядели мра&heip;