Текст книги "Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки"

Глава 8. Пластичность пространства
в которой рассказывается об общей и специальной теории относительности Эйнштейна и об их влиянии на наше понимание пространства и времени

Седьмого ноября 1919 года лондонская газета Times вышла с сенсационным заголовком: «Революция в науке. Новая теория Вселенной. Ньютон повержен». Еще через три дня эстафету подхватила New York Times: «Искаженный свет в небесах. Ученые взбудоражены результатами наблюдений за солнечным затмением. Триумф теории Эйнштейна. Звезды не то, чем кажутся, но волноваться не о чем». Эти публикации быстро превратили Эйнштейна в знаменитость. В них говорилось о том, как две команды астрономов подтвердили правильность его блестящей общей теории относительности после наблюдения за солнечным затмением на западном берегу Африки и в городе Собрал в северо-восточной Бразилии.

Эйнштейн предлагал новое видение природы гравитации. Он описывал ее не как загадочное ньютоновское «воздействие на расстоянии», а как эффект, возникающий в результате искривления пространства вокруг массивных объектов. Пространство эластично, а степень его искривления зависит от концентрации массы в том или ином регионе. Небольшие объекты слабо деформируют пространство вокруг себя, а большие вызывают более сильные изменения. Поэтому деформация вокруг человеческого тела незаметна (хотя она и существует), а вот деформация вокруг Солнца гораздо более выражена. В ходе опыта с затмением проводились измерения света дальних звезд в момент, когда они проходили рядом с Солнцем. Звезды были выбраны таким образом, чтобы Солнце находилось на пути между ними и Землей для их света. Затмение на время скрыло солнечный свет, позволив астрономам увидеть дальние звезды и сравнить их положение на небе с тем, которое наблюдалось при отсутствии Солнца как помехи. Если пространство вокруг Солнца действительно искривлено, то звездный свет отклонился бы от своего первоначального маршрута и звезды стали бы видны в других местах. Эйнштейн использовал свою теорию, чтобы рассчитать видимые глазу различия в положении звезд, возникающие в присутствии Солнца. Результаты эксперимента нельзя было назвать полностью ясными, но и их было достаточно для подтверждения его теории.

Уравнения, включенные в общую теорию относительности, можно использовать для расчета искривления пространства вокруг любого массивного объекта, а не только Солнца. По мере движения от далекого источника свет отклоняется то в ту, то в другую сторону, реагируя на пространственные неровности.

Еще в одном эксперименте Эйнштейн использовал искривление пространства для объяснения хорошо известных ученым аномалий в орбите Меркурия, перед которыми оказался бессилен закон всемирного тяготения Ньютона. Успех теории был закреплен, и очень скоро ее начали считать величайшим достижением человеческой мысли в истории.

Но на присутствие материи реагирует не только пространство, но и время. В своей специальной теории относительности, созданной в 1905 году, то есть за десять лет до выведения более общей версии, Эйнштейн показал, что время и пространство нельзя рассматривать как абсолютные величины, как было принято со времен Эйнштейна. Кроме того, нельзя и разделять их, так как они формируют единое целое – пространственно-временной континуум, в котором время играет роль четвертого измерения. Соответственно, присутствие материи (или энергии в целом) искривляет и пространство, и время (или лучше сказать «пространство-время»).

Идея пространственно-временного континуума проще, чем кажется на первый взгляд. Представьте, что вы видите у себя в комнате муху и через пять секунд убиваете ее. Когда вы заметили муху впервые, она находилась в определенной точке в пространстве, а время на «мушиных часах» составляло 0 секунд. Когда вы ее прихлопнули, местоположение мухи в пространстве изменилось и прошло 5 секунд. Для того чтобы точно указать, где и когда погибла муха, вам нужно знать точку в пространстве и момент во времени. Для того чтобы связать время с расстоянием, оно умножается на скорость. Эйнштейн выбрал для этого скорость света, которую считал самой высокой в природе. Скорость света в вакууме составляет 186 282 мили в час и обычно обозначается буквой с (от латинского celeritas – «скорость»; тот же корень используется, например, в слове acceleration – «ускорение»). За время, необходимое нам на то, чтобы моргнуть, луч света успевает семь с половиной раз обойти вокруг Земли. Если умножить значение времени (t) на скорость света, мы получим ct, а к этому значению уже можно применять единицы расстояния. Точка в четырехмерном пространстве имеет координаты ct,x, y и z, где x, y и z задают ее местоположение в трех измерениях (с севера на юг, с запада на восток и сверху вниз). Последовательность точек в пространстве-времени может рассказать нам целую историю – например, как двигалась муха между моментами, когда вы ее заметили и убили. Эта история, или путь в четырехмерном пространстве, называется мировой линией.

Для того чтобы аргументировать свою теорию, Эйнштейн весьма умно сфокусировал ее на наблюдателе, то есть на человеке (или инструменте), замеряющем расстояния и временные интервалы. Он постулировал, что два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, получат разные результаты таких измерений. В своей специальной теории Эйнштейн рассматривал лишь относительное движение с постоянной скоростью, в общей же теории учитывалось и ускорение. Теория предлагала способ согласования несоответствующих измерений, полученных двумя такими наблюдателями. Несоответствия обычно являются минимальными и определяются относительной скоростью движения между наблюдателями (v) и скоростью света (с), то есть выражаются как v/c. Различия становятся существенными только в том случае, если скорости наблюдателей приближаются к скорости света. Тем не менее они все же существуют и представляют собой еще один уровень искажений в нашем восприятии мира. Движущиеся объекты кажутся короче по направлению движения, а движущиеся часы идут более медленно. Например, объект, движущийся со скоростью, равной 60 % от скорости света, будет выглядеть на 20 % короче, а часы, движущиеся с той же скоростью, окажутся на 20 % медленнее. Когда относительная скорость движения между двумя наблюдателями достигнет скорости света, время остановится, а объект исчезнет.

В реальности подобная странная ситуация никогда не происходит, так как относительное движение имеет и еще один эффект – возрастание массы по мере увеличения скорости. Пока движущийся объект стремится к скорости света, его масса бесконечно увеличивается. Поскольку для разгона объекта с постоянно растущей массой требуется все больше энергии, а к моменту, когда масса объекта приближается к бесконечной, такой разгон и вовсе становится невозможен, специальная теория Эйнштейна говорит нам, что ни один объект, обладающий массой, не может разогнаться до скорости света. Это доступно лишь чему-то без массы, например самому свету. Кроме того, по непонятным причинам свет всегда движется в определенной среде (например, в вакууме, воздухе или воде) с постоянной скоростью относительно любого наблюдателя, какую бы скорость (ниже с) он ни развивал. Для отбивающего в бейсболе мяч летит медленнее, если подавать его против ветра, и быстрее, если ветер дует в направлении подачи. Если питчер во время броска бежит в направлении отбивающего, мяч будет лететь еще быстрее, так как скорости складываются. Однако скорость света совершенно не зависит от движения его источника – это абсолютная природная величина, не подвластная никаким изменениям. На самом деле теория относительности – это теория абсолютов, неизменных вещей в Природе, таких как законы физики и скорость света.[49]49
  Обратите внимание, что свет движется с разной скоростью в разных средах, например в вакууме, воздухе и воде. Чем плотнее среда, тем ниже будет скорость света. Например, скорость света внутри алмаза составляет лишь 41 % от его скорости в вакууме.


[Закрыть]

Специальная теория относительности позволяет различным наблюдателям самостоятельно давать объяснения тому, как действует Природа, при условии, что скорость света всегда неизменна и является самой высокой скоростью передачи сигналов (и, соответственно, информации). В мире ньютоновской физики время и пространство были абсолютны, а значит, была возможна любая скорость. Предположив, что абсолютным лимитом является лишь скорость света, Эйнштейн опроверг эту теорию. Если вспомнить платоновскую аллегорию пещеры, то теория Ньютона окажется тенью на стене, видимой для существ, которые не подозревают о постоянстве скорости света и потому считают ее единственно верным описанием реальности. Разумеется, мы действительно живем в этой пещере, так как наше зрение не может делать поправку на скорость света. Специальная теория относительности – это еще одна проекция на стену пещеры, исправленная впоследствии общей теорией, в рамках которой учитывалось ускорение движения наблюдателей. После общей теории относительности Эйнштейна наше представление о мире снова изменилось и мы снова немного продвинулись к свету. У платоновской пещеры много стен. Возможно, это даже несколько пещер, расположенных одна в другой, как матрешки. Двигаясь от стены к стене, мы понимаем, что по мере расширения наших знаний о мире перед нами будут появляться все новые и новые уровни описания реальности. Все, что мы видим, – это тени на стенах. Платон мечтал о пещере, из которой есть выход к свету чистого знания, но кажется разумным предположить, что никакое знание не может быть чистым или окончательным.

Как что-то может существовать без массы? Свет – это, пожалуй, одна из величайших загадок. Даже Эйнштейн, один из ключевых исследователей его физической природы, часто признавался, как его поражают потрясающие свойства света. Мы не знаем, почему свет может распространяться как волна в вакууме, в то время как другим волнам (например, звуковым или водным) для этого требуется физическая среда. Мы не знаем, почему свет движется именно с такой скоростью и почему ничто в Природе не может его обогнать. Все, что мы можем сказать, – это что пока мы не имеем оснований посмотреть на свет по-другому. Если в уравнение добавляются свойства света, становятся возможными невероятные вещи: уменьшение расстояний, замедление времени, увеличение массы… Удивительно, но все они были подтверждены многочисленными экспериментами. GPS в вашем фитнес-браслете или автомобиле работает так точно потому, что при его создании учитывались поправки общей и специальной теории относительности к ньютоновской теории. Они изменили наше представление о пространстве, времени и материи – о Вселенной в целом. И именно Эйнштейн сделал первый шаг.

Глава 9. Беспокойная Вселенная
из которой вы узнаете о расширении Вселенной, сингулярности и начале времени

«Если пространство пластично, – рассуждал Эйнштейн, – и если оно реагирует на количество материи, то, если бы я знал, сколько материи имеется во всем космосе и как она распределена, я мог бы использовать свои уравнения, чтобы рассчитать форму Вселенной». Как мы уже отмечали, Эйнштейн сделал гигантский шаг вперед, когда всего через год после публикации своей общей теории относительности экстраполировал ее на весь космос. Точно так же когда-то поступил и Ньютон со своим законом всемирного тяготения. Эйнштейн вывел свою новую теорию из-за пределов Солнечной системы, где она уже была испытана, и распространил на всю Вселенную, будучи уверенным, что в ней действуют одни и те же физические принципы. Он предположил, что космос является сферическим и статичным, а затем продолжил упрощение. Поскольку точных данных о распределении материи в космосе получить невозможно, Эйнштейн логично предположил, что в среднем в достаточно больших объемах пространства материя распределена одинаково.[50]50
  Как говорил Эйнштейн, «если рассматривать [метрическую] структуру в большем масштабе, мы можем представлять материю равномерно распределенной по огромному пространству так, что плотность ее распределения окажется переменной функцией, изменяющейся очень медленно». Albert Einstein, Cosmological Considerations on the General Theory of Relativity [1917], in The Principle of Relativity: A Collection of Original Papers on the Special and the General Theories of Relativity, trans. W. Perrett, G. B. Jeffery (New York: Dover, 1952).


[Закрыть] Такое приближение работает только для по-настоящему огромных пространств, включающих в себя миллионы галактик и простирающихся на множество световых лет. Математически это означает, что плотность материи, то есть ее количество в объеме, является примерно постоянной величиной. В больших объемах содержится больше материи в той же пропорции. Уравнения Эйнштейна определяли геометрию пространства на основании распределения материи, а значит, геометрия должна была отражать эту однородность, выражая ее в простейшей из возможных форм – в сфере. Эйнштейну удалось рассчитать «радиус» этого сферического космоса, а чтобы сделать свою модель стабильной, он добавил в нее странную константу, которую мы сегодня называем космологической постоянной. На этом он прекратил работу, будучи уверенным, что его теория (с некоторыми поправками и коррективами) может ответить на один из старейших вопросов в истории: «Какую форму имеет космос?»

В 1929 году, всего через 12 лет после публикации работы Эйнштейна, ставшей первым трудом по современной космологии, все резко изменилось. Американский астроном Эдвин Хаббл опубликовал результаты своих наблюдений за дальними галактиками, указывающие на то, что они удаляются от Млечного Пути со скоростями, пропорциональными расстоянию до них. Иными словами, галактика, находящаяся в два раза дальше от нашей, чем ее соседка, двигалась в два раза быстрее. В распоряжении Хаббла имелся самый большой телескоп того времени, рефлектор диаметром 100 дюймов, установленный на горе Маунт-Вилсон в Калифорнии.[51]51
  Стодюймовый телескоп Хукера в период с 1917 по 1948 год считался самым большим в мире. Он был назван в честь Джона Д. Хукера, бизнесмена из Лос-Анджелеса, который финансировал постройку огромного рефлектора для телескопа.


[Закрыть] С его помощью он мог видеть дальше и точнее, чем кто-либо до него. Примерно за десять лет до этого Весто Слайфер писал о том, что свет далеких галактик имеет тенденцию отклоняться в красную часть спектра сильнее, чем более близких. Сегодня данное явление известно как красное смещение. Что оно могло означать? Ответ на этот вопрос был получен австрийским физиком Кристианом Доплером еще в XIX веке. Любая волна растягивается по мере смещения ее источника (или наблюдателя). Мы знаем это из экспериментов со звуковыми волнами. Например, по мере того, как машина скорой помощи с включенной сиреной подъезжает ближе к нам, высота звука постепенно повышается, а когда она удаляется от нас, звук становится ниже. Доплер предположил существование этого эффекта в 1842 году, а в 1845 году подтвердил его с помощью эксперимента с участием поезда и нескольких музыкантов, дующих в рога.[52]52
  Без паровых локомотивов и высоких скоростей, которые они могли развивать, продемонстрировать идею Допплера было бы куда труднее. Контекст открытия во многом зависит от доступных инструментов.


[Закрыть] «Эффект Доплера» распространяется и на световые волны, но здесь вместо высоты звука варьируется частота (при этом у синего цвета она выше, чем у красного). Итак, когда астрономы говорят о красном смещении, они имеют в виду растяжение световых волн в результате удаления источника. Синее смещение, наоборот, означает, что источник (или наблюдатель) приближается. Благодаря Доплеру рождается потрясающая связь между повседневным и космическим: теперь каждый раз, заслышав на улице сирену скорой помощи, вы можете думать о миллиардах галактик, разбегающихся в небесах.

Итак, в очередной раз мощный новый инструмент изменил наш взгляд на Вселенную. Еще до Эдвина Хаббла некоторые теоретики размышляли о том, что она может не быть статичной, что, вполне вероятно, она изменяется со временем. Первым подобную мысль высказал голландский ученый Виллем де Ситтер, критиковавший кажущуюся необоснованной идею Эйнштейна о статичном космосе: «Все экстраполяции неточны… Перед нами лишь фотоснимок мира, и мы не можем и не должны утверждать…что мир навсегда останется таким же, как и в момент съемки».[53]53
  Robert Schulmann, A. J. Kox, Michel Janssen, and Jozsef Illy, eds., The Collected Papers of Albert Einstein, vol. 8, The Berlin Years: Correspondence, 1914−1918 (Princeton, NJ: Princeton University Press, 1998), Document 321.


[Закрыть] Пытаясь понять поведение материи в бесконечной Вселенной, де Ситтер в 1917 году предложил другую модель, которая предполагала почти полное отсутствие в космосе материи. Единственным вкладом Эйнштейна в эту концепцию пространства-времени был сам придуманный им термин «пространство-время». С помощью уравнений де Ситтер продемонстрировал, что любой материальный объект должен двигаться со все возрастающим ускорением. Еще через несколько лет русский метеоролог Александр Фридман, приверженец теории Эйнштейна, математически доказал, что ни одно из уравнений общей теории относительности не указывало на обязательную статичность Вселенной. Наоборот, с течением времени она могла расширяться или сжиматься, как воздушный шарик. В таком случае плотность материи также изменялась бы со временем – уменьшаясь при расширении и увеличиваясь при сжатии (представьте себе, что вы переставляете мебель из маленькой комнаты в большой зал или, наоборот, из гостиной в чулан и как от этого меняется количество свободного пространства). Открытый Хабблом закон линейного расширения (указывающий на то, что скорость расхождения далеких галактик пропорциональна расстоянию до них) подтвердил правоту Фридмана. Незачем было делать космос статичным, а тем более вводить для этого искусственные постоянные.[54]54
  В своей книге «Танцующая Вселенная» я подробно описываю историю космологии в ХХ веке. Здесь я обращаю больше внимания на идеи, которые понадобятся нам для понимания дальнейших концепций.


[Закрыть]

Концепция расширяющейся Вселенной часто вводит людей в замешательство. Большинство наивно (и неверно) представляет расширение чем-то вроде взрыва бомбы, а галактики – осколками, разлетающимися к краям космоса. Почему эта картина неверна? Потому, что она предполагает, что космос остается неизменным, а галактики движутся по нему, хотя на самом деле происходит совершенно противоположный процесс – пространство расширяется и тащит за собой галактики, как течение реки – мелкие щепки. Это космическое движение даже называют потоком Хаббла. Разумеется, гравитационное притяжение, возникающее между галактиками или их группами (галактическими кластерами), может вызывать отклонения от потока, называемые пекулярными движениями. Например, наша ближайшая галактическая соседка, Андромеда, движется по направлению столкновения с Млечным Путем. Моделирование и данные, полученные с помощью телескопа «Хаббл», указывают на то, что это произойдет примерно через четыре миллиарда лет.[55]55
  Удивительно, но это произойдет примерно тогда же, когда Солнце превратится в красного гиганта, поглотит Меркурий и Венеру и приблизится к орбите Земли. Пускай галактические столкновения на самом деле являются менее драматичными, чем кажутся нам (звезды находятся на огромных расстояниях друг от друга, и шансы на то, что одна из них врежется в другую, весьма невелики), конец Солнца будет означать и конец Земли как планеты, на которой обитает жизнь.


[Закрыть]

Открытие Хаббла и его подтверждение подняли представления о пластичности пространства до новых высот. Наблюдая за локальными отклонениями вблизи звезд, мы можем видеть, что теория Эйнштейна верно предсказывает растяжение пространства как реакцию на содержащуюся в нем материю (по крайней мере в наблюдаемой Вселенной, так как ни о чем ином мы не можем говорить с определенностью). Но все становится гораздо интереснее, когда мы задумываемся, что было до расширения, то есть когда заглядываем в прошлое. Если сейчас космос растет, значит, в прошлом галактики находились ближе друг к другу. Чем дальше мы проникаем в прошлое в нашем мысленном эксперименте, тем меньше становится расстояние между ними. Так происходит до тех пор, пока все они не оказываются сжатыми в одной точке. Но как это возможно? Как все сущее может уместиться в одной точке в пространстве? Все еще больше усложняется, когда мы понимаем, что точка – это всего лишь математическая концепция, не существующая в реальном мире. Как же тогда объяснить происходящее? Теория Хаббла описывает космос, существование которого началось в определенный момент в прошлом. Эта точка начала называется сингулярностью.

В 1960-х годах физики Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали, что, принимая во внимание разумные предположения о характеристиках материи, любая расширяющаяся вселенная должна иметь в своем прошлом сингулярность. Но вот в чем состоит затруднение: так как при движении назад во времени объем космоса постоянно уменьшается, а вся материя постепенно сжимается в одну точку, плотность этой точки постоянно растет. Представьте себе забитый людьми вагон метро, который сначала уменьшили до размера консервной банки, потом – горошины, затем – атома и т. д. Очевидно, что плотность материи станет при этом бесконечно высокой, а пространство вокруг нее окажется бесконечно искривленным. Время остановится, так как сингулярность достигается при t = 0 (начало времени). Но ни одна физическая теория не может безнаказанно оперировать бесконечными величинами. Значит, что-то должно быть не так.

Когда математики сталкиваются с сингулярностью (например, при делении любого числа на ноль), они, так сказать, изучают ее границы, чтобы найти выход из нее. К примеру, вместо деления на ноль можно использовать деление на бесконечно малое число. Возможно, существует путь, при котором можно избежать сингулярности, но все равно попасть в нужную точку (то есть обойти ее, как вы объезжаете яму на дороге). В физике наличие сингулярности – это серьезный звоночек, показывающий, что теория, которую вы используете, скорее всего, неверна. В ней чего-то не хватает, и это что-то обычно включает в себя новую физику. Например, использование законов Ньютона для объяснения того, как ведут себя тела на скоростях, близких к световым, ведет к появлению ошибок – неверных теней на стене платоновской пещеры. Сегодня мы знаем, что для получения ответов нужно применять специальную теорию относительности Эйнштейна. То же касается и сильной гравитации: ньютоновские законы хороши для описания достаточно слабого гравитационного притяжения, но требуют корректирования рядом с массивными объектами (например, Солнцем).

Ни одна теория не является полной или окончательной. Новые значения требуют новых формул, а те, в свою очередь, – новых экспериментальных подтверждений, зависящих от доступных технологий. В поисках предсказанных эффектов для тестирования своих теорий ученые частенько сталкиваются с чем-то неожиданным, толкающим их назад к расчетам и, вполне возможно, к новым знаниям. Большинство физиков, участвовавших в поисках бозона Хиггса и работавших на Большом адронном коллайдере в Швейцарии, с гораздо большей радостью обнаружили бы частицу, не соответствующую предсказаниям Стандартной модели физики частиц. Неожиданности ведут к изменениям.

Космическая сингулярность указывает на необходимость в новой физике, выходящей за пределы, которые устанавливает общая теория относительности Эйнштейна. Поскольку в самом начале времен расстояния были крайне небольшими, такая новая физика должна объяснить, как пространство, время и материя действуют на коротких дистанциях. Физика макромира сталкивается с микромиром. Мы вступаем в царство «квантовой гравитации», в котором общая теория относительности сочетается с квантовой физикой (физикой атомов и субатомных компонентов). Происходит невероятный скачок – исследования Вселенной и ее истории приводят нас к мельчайшим единицам материи. Насколько нам известно сегодня, макро – и микромир накрепко связаны между собой. Ученые не смогут понять происхождение Вселенной до тех пор, пока не узнают, как квантовая физика влияет на геометрию пространства-времени. Но перед тем, как мы перейдем к этому вопросу, давайте рассмотрим некоторые из фундаментальных последствий влияния современной космологии на границы наших знаний. Начнем с конечности скорости света и понятия «сейчас».