Текст книги "О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга"

Фанаты мультивселенной объявили, что они нашли вторую возможную разгадку тайны «замысла Вселенной» – если считать первой просто совпадение, удачное следствие глубокого, но (пока) таинственного математического принципа, лежащего в самой сердцевине всего сущего. Новый ответ из области космологии антропной мультивселенной был таким: то, что кажется замыслом, есть свойство нашего локального космического окружения. Мы населяем редкую дружелюбную к жизни область в огромной космической мозаике островных вселенных, выделенную на основе антропного принципа. Восторг, вызванный этим заявлением, был безграничен. «Мы вместе, Вселенная и мы, – провозгласил Андрей Линде. – Я не могу представить последовательной теории Вселенной, которая игнорирует жизнь и сознание»[22]22
  Andrei Linde, “Universe, Life, Consciousness”. Лекция, прочитанная в рамках программы Physics and Cosmology Group of the “Science and Spiritual Quest”, The Center for Theology and the Natural Sciences [CTNS], Berkeley, Calif., 1998.


[Закрыть]. В своей книге «Космический ландшафт» известный своей категоричностью струнный теоретик Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета (чьим смелым догадкам можно доверять) объявил тандем из объективных метазаконов, управляющих мультивселенной, в сочетании с субъективным антропным принципом – «новой парадигмой фундаментальной физики». Титан физики частиц Стивен Вайнберг тоже предположил, что антропное мышление предвещает рассвет новой эры в космологии. Озарившая его в конце 1960-х гениальная объединяющая идея о том, что электромагнитные силы и слабое ядерное взаимодействие есть, по сути, одно и то же, легла в основу Стандартной модели физики частиц. Некоторые предсказания Стандартной модели с тех пор были подтверждены с невероятной точностью до не менее четырнадцати знаков после запятой, что превратило ее в наиболее точно проверенную теорию из всех, когда-либо существовавших в физике. Но при всей этой точности Вайнберг чувствовал: чтобы более глубоко понять, почему Стандартная модель принимает ту особую форму, которую она имеет, мы должны дополнить математические принципы ортодоксальной физики принципом совершенно иной природы. «В истории науки большинство прорывов отмечено открытиями явлений природы, – сказал он в своей кембриджской лекции “Живя в мультивселенной”, – но в некоторых поворотных точках мы сделали открытия в самой науке и в том, что мы считаем приемлемым для теории. И, может быть, мы находимся именно в такой поворотной точке… Концепция мультивселенной узаконивает антропное мышление в качестве новой основы физических теорий»[23]23
  Steven Weinberg, Living in the Multiverse. Доклад, прочитанный на симпозиуме Expectations of a Final Theory («В ожидании окончательной теории», состоявшемся в сентябре 2005 года в Тринити колледже, Кембридж, и опубликованный в книге Universe or Multiverse? Ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007).


[Закрыть]. Выраженное в этих словах мировоззрение Вайнберга отзывается эхом дуализма. Есть физические законы или метазаконы, и мы открываем их, но они холодны и безличны. Однако кроме них существует антропный принцип, который каким-то присущим ему таинственным путем перебрасывает мост от (мета)законов к воспринимаемому нами физическому миру.

Последовала яростная реакция. За несколько лет антропный принцип сделался вызывающим самые яростные споры положением в теоретической физике. И некоторые в своем неприятии его оказались совершенно бескомпромиссны. «Инфляционная теория сама вырыла себе могилу», – заявил сооткрыватель космологической инфляции Пол Стейнхардт из Принстона. «Это вроде капитуляции», – отрезал нобелевский лауреат Дэвид Гросс из Калифорнийского университета. Остальные думают, что обсуждение нашего места в космосе преждевременно само по себе. «Думать о таких вещах слишком рано»,[24]24
  Nima Arkani-Hamed, “Prospects for Contact of String Theory with Experiments”. Лекция на симпозиуме по теории струн: Strings 2019, Flagey, Brussels, July 9–13, 2019.


[Закрыть] – сказал, выступая перед специалистами по теории струн летом 2019 года, физик-теоретик Нима Аркани-Хамед, вообще-то, известный мечтатель и визионер. Спустя пятьсот лет после начала современной научной революции, которая и посеяла семена дуализма в физике, такое замечание выглядит довольно показательным.

К большому разочарованию Стивена молчаливое большинство теоретиков стыдливо отводили глаза – они терялись в математических дебрях. Они чувствовали – и чувствуют до сих пор, – что глубокий анализ происхождения биофильности Вселенной лежит за пределами их области компетенции. Они предпочитали верить, что эта проблема каким-то образом исчезнет сама собой, как только мы выведем основное уравнение теории струн, управляющее мультивселенной. Как-то раз за чаем в DAMTP Стивен, который никогда не стеснялся «резать правду-матку», пожаловался на это. «Я просто диву даюсь, – сказал он, – как люди (струнные теоретики) могут быть до того зашорены, что не могут серьезно поставить вопрос, как и почему образовалась Вселенная»[25]25
  Хокинг повторил это в своей лекции “Космология сверху вниз” (Davis Meeting on Cosmic Inflation, University of California, Davis, March 22–25, 2003).


[Закрыть]. Он был уверен: чтобы пролить свет на «тайну замысла», недостаточно будет просто найти абстрактные математические метазаконы. Поиск единой физической теории был для него неразрывно связан с ответом на вопрос, где в недрах Большого взрыва спрятан ключ к нашему происхождению. Мечта об окончательной теории, настаивал он, не может быть достигнута, если мы рассматриваем ее «просто» как еще одну лабораторную задачу, – она должна быть поставлена в контекст космологической эволюции. И в поисках нового видения Вселенной математика была для Хокинга не госпожой, а служанкой и помощницей. Поэтому он соглашался с адептами антропного принципа в том, что понять природу расположенности Вселенной к жизни очень важно и что плоское следование Платону здесь никак не поможет – требуется сдвиг парадигмы, фундаментальное изменение нашего метода физического познания и исследования Вселенной[26]26
  В своей книге The Structure of Scientific Revolutions (1962) (изд. на русском языке: Кун Т. Структура научных революций / Пер. с англ. И. З. Налетова. – М.: Прогресс, 1977) американский философ науки Томас Кун объясняет, что такие сдвиги парадигмы происходят, когда господствующая парадигма, в рамках которой развивается установившееся течение науки, становится несовместимой с новыми явлениями. Читатель мог бы спросить, какие именно «новые явления» возникли и вызвали потребность изменений в космологии на рубеже XXI столетия. Мне кажется, в основном это выполненные в самом конце 1990-х астрономические наблюдения ускоренного расширения Вселенной, нашедшие отклик в новых теоретических идеях теории струн, с точки зрения которых они служили примером случайной природы биофильности физических законов.


[Закрыть]. При этом, однако, он все больше проникался скептицизмом в отношении того, что антропное мышление и было тем самым революционным сдвигом. Главная претензия Хокинга к антропному принципу как части новой космологической парадигмы относилась не к его качественной природе – в биологии и других исторических науках полно предсказаний гораздо более качественного характера. Настоящую проблему он видел в том, что антропное мышление ставит основной научный процесс предсказания и фальсифицируемости на слишком зыбкую почву.

Этот процесс широко обсуждался британским философом науки австрийского происхождения Карлом Поппером. Согласно Попперу, науку делает уникально мощным путем приобретения знаний тот факт, что снова и снова, раз за разом ученые достигают консенсуса в результате рациональной аргументации, построенной на доступных нам свидетельствах. Поппер понимал, что истинность научной теории может так никогда и не быть доказана, но любая теория может быть фальсифицирована – что означает, что она может войти в противоречие с экспериментами. Однако – и в этом была ключевая идея Поппера – процесс фальсифицирования становится возможным лишь потому, что на основе необходимых теоретических гипотез должны делаться однозначные предсказания: теперь, если бы нашлись противоречащие этим предсказаниям результаты, стало бы ясно, что по крайней мере одна из основных посылок теории в Природе не существует. Причина, по которой эта ситуация имеет центральное значение для способа функционирования науки, в том, что она, эта ситуация, асимметрична; подтверждение теоретического предсказания поддерживает теорию, хотя и не доказывает ее, в то время как фальсификация предсказания может доказать, что теория ложна. Любая идея может оказаться неверной – эта возможность всегда подстерегает нас в науке, и это существенный элемент научного прогресса.

Но антропный принцип ставит этот процесс под сомнение – личные критерии того, что именно составляет «расположенность к жизни» у Вселенной, вносят в физику субъективный элемент, который подрывает попперовский механизм фальсификации. Ваша антропная точка зрения может соответствовать одному лоскутку мультивселенной, с одним набором законов, а мои антропные симпатии могут подходить к совсем другому ее уголку, где система законов другая и нет никаких объективных критериев, по которым можно было бы определить, кто прав.

Все это очень непохоже на дарвиновскую эволюцию, которая всяческими хитроумными способами избегает чего-то хоть отдаленно напоминающего аналог антропного мышления в применении к биологии. Существует ли вообще внеземная жизнь, не говоря уж о том, как она развивается, для теории Дарвина не играет никакой роли. Не оставляет дарвинизм никакой щелочки и для выделения какого-либо одного вида, будь это Panthera leo, Homo Sapiens или еще кто-то, в привилегированное положение в биологическом мире. Наоборот, дарвинизм уходит корнями в наши отношения с остальным миром живого. Он ставит на первый план взаимосвязь всего со всем. Одно из великих прозрений Дарвина заключалось в том, что Homo Sapiens развивался совместно со всем остальным миром живого. «Мы должны признать, как мне кажется, что человек со всеми его благородными свойствами… по-прежнему несет в своем телесном строении неизгладимую печать его низкого происхождения», – писал он в «Происхождении человека». Как же глубоко отличается этот подход от картеровского антропного принципа в космологии, действующего вне естественной эволюции Вселенной, как будто бы он был каким-то чужеродным дополнением к ней!

В попперовском смысле, если говорить о фальсификации, антропная мультивселенная почти не отличается от космологического учения, развитого в XVII веке немецким энциклопедистом Готфридом Лейбницем. В своем труде «Монадология» Лейбниц предполагает, что существует бесконечно много вселенных, каждая со своим пространством, временем и материей, и что мы живем в лучшем из всех возможных миров, избранном для нас Богом в Его бесконечной благости.

Поэтому вполне понятно, что научное сообщество оказалось в состоянии непрерывного конфликта с антропным принципом, при всех его – хоть и сомнительных – достоинствах. В своей книге «Неприятности с физикой», критикующей теорию струн, американский физик и писатель Ли Смолин особенно подчеркивает, что, «как только нефальсифицируемую теорию предпочитают ее фальсифицируемым альтернативам, научный процесс останавливается и дальнейший рост знаний больше невозможен». Именно это беспокоило и Стивена в нашем первом разговоре в его кабинете – что как только кто-либо принимает антропный принцип, так тут же теряет способность предсказывать, одно из основных завоеваний науки. Мы заходим в тупик. Предполагалось, что антропный принцип должен помочь нам понять, «кто мы такие» в безграничной космической мозаике, и в силу этого послужить мостом, соединяющим абстрактную теорию мультивселенной с опытом наших наблюдений в этой Вселенной. Однако эту задачу не удается решить так, чтобы не нарушить при этом основных принципов научной практики. И космология мультивселенной так и не обретает никакой объясняющей силы.

Рис. 7(а). В августе 2001 года Мартин Рис – он стоит слева от Стивена – устроил в своем загородном доме в Кембридже, в Англии, конференцию для обсуждения преимуществ, если таковые вообще имеются, антропного принципа в фундаментальной физике и космологии. Именно в кулуарах этой конференции Стивен и автор этой книги (в третьем ряду, позади Стивена) начали серьезно обсуждать вопрос о том, как квантовый взгляд на космос мог бы дополнить антропный подход к космологии. На конференцию к Рису съехалось много коллег, которым суждено было сыграть ключевую роль в наших научных странствиях, – среди них Нил Турок (сидит крайний слева), Ли Смолин (сидит крайний справа) и Андрей Линде (стоит крайним справа в среднем ряду). Слева от Линде – Джим Хартл, еле заметный за спиной у Бернарда Карра, потом Хауме Гаррига, Алекс Виленкин и Гэри Гиббонс.

Это приводит нас к интересному наблюдению. В широком смысле с самого начала современной научной революции мы, как это ни удивительно, почти не продвинулись к разгадке происхождения видимого «замысла», лежащего в основе физической реальности. Мы до мельчайших подробностей понимаем сейчас всю историю расширения Вселенной, мы понимаем, как гравитация формирует крупномасштабную структуру Вселенной, мы понимаем тонкости квантового поведения материи до масштабов, значительно меньших размера протона. Но вся эта подробная физическая картина, сама по себе имеющая огромное значение, послужила только для того, чтобы подчеркнуть лежащую более глубоко загадку «замысла». Таинственная природа биофильности Вселенной продолжает вызывать смущение, раскалывая научное сообщество, а за ним и широкую публику. Глубокая концептуальная пропасть продолжает разделять наше понимание мира жизни и представления о физических условиях, которые делают ее существование возможным. Почему математические законы, заложенные в момент Большого взрыва, оказались приспособленными для жизни? И что нам делать с этим фактом? Трещина, разделяющая одушевленный и неодушевленный миры, кажется сейчас глубже, чем когда бы то ни было.

Физики говорят, что мультивселенная ставит нас перед парадоксом. Космология мультивселенной исходит из представления о космической инфляции: очень краткого этапа очень быстрого расширения Вселенной, который она прошла на самых ранних стадиях своего существования. Инфляционная теория уже довольно долго подкрепляется множеством наблюдательных доказательств, но при этом обладает неудобной особенностью: в этой модели создается не одна, но огромное число вселенных. И так как теория не дает нам возможности понять, в какой из них должны находиться мы – этой информации в ней недостает, – она теряет бо́льшую часть своей способности предсказывать, что именно мы должны наблюдать. Это парадокс. С одной стороны, наша лучшая космологическая теория предполагает, что мы живем в мультивселенной. И в то же время идея мультивселенной во многом разрушает предсказательную способность этой теории.

Стивен не впервые оказывался лицом к лицу с парадоксом. Еще в 1977 году он приложил руку к решению подобной загадки в контексте черных дыр. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что почти вся информация о чем бы то ни было, попадающем в черную дыру, навсегда остается скрытой внутри нее. Но Стивен обнаружил, что квантовая теория вносит в эту историю парадоксальный поворот. Он показал, что квантовые процессы вблизи поверхности черной дыры приводят к тому, что она излучает слабый, но устойчивый поток частиц, в том числе и частиц света. Это излучение – теперь его называют излучением Хокинга – слишком слабое, чтобы его можно было зарегистрировать физическими методами, и само его существование оказывается внутренне противоречивым[27]27
  В середине 1970-х Хокинг, работая со своим студентом Бернардом Карром, обдумывал возможность существования малых черных дыр, которые могли образоваться в самом начале горячего Большого взрыва. Первичные черные дыры были бы горячее и излучали бы более интенсивно. На самом деле такие дыры с массой около 10¹⁵ г – то есть с массой горы и размером с протон – взрывались бы как раз в текущую эпоху развития Вселенной. К большому разочарованию Стивена таких взрывов никто не наблюдал.


[Закрыть]. Дело в том, что, если черные дыры излучают энергию, они должны съеживаться и в конце концов исчезать. Что же происходит с огромным количеством информации, скрытым внутри черной дыры, когда последний грамм ее массы превращается в излучение? Вычисления Стивена показали, что эта информация будет потеряна навсегда. Черные дыры, утверждал он, это идеальные мусоросборники. Однако такой сценарий противоречит основному принципу квантовой теории, который требует, чтобы в ходе физических процессов информация могла преобразовываться и кодироваться, но никогда бы не могла быть необратимо уничтожена. Мы снова приходим к парадоксу: квантовые процессы заставляют черные дыры излучать и терять информацию, но та же квантовая теория говорит, что это невозможно.

Парадоксы, связанные с жизненным циклом черных дыр и с нашим местом в мультивселенной, стали двумя самыми жгучими и наиболее горячо обсуждаемыми загадками физики последних десятилетий. Так как они имеют прямое отношение к природе и судьбе информации в физике, они попадают в самое сердце любой физической теории. Оба этих парадокса возникают в контексте так называемого полуклассического теоретического описания гравитации, которое впервые предложили Стивен и его кембриджская «банда» в середине 1970-х на стыке классического и квантового подходов. Парадоксы начинают сказываться, когда кто-то применяет такой полуклассический подход либо на слишком длинных временных шкалах (в случае черных дыр), либо на слишком больших расстояниях (в случае мультивселенной). Взятые вместе, они дают самую наглядную на сегодня иллюстрацию глубинных трудностей, которые возникают, когда мы пытаемся заставить две основополагающие физические теории XX века, теорию относительности и теорию квантов, работать в гармонии друг с другом. В этой роли они послужили основой для головокружительных мысленных экспериментов, в рамках которых теоретики проэкстраполировали свое полуклассическое описание гравитации до крайних пределов, чтобы посмотреть, где и как именно оно перестанет работать.

Стивен всегда обожал мысленные эксперименты. Отвергая философию, он любил экспериментировать с некоторыми глубокими философскими вопросами – было ли у времени начало, фундаментально ли понятие причинности и – этот вопрос был самым амбициозным – каким образом мы как «наблюдатели» вписываемся в космическую схему. И делал он это, прибегая к построению хитроумных теоретико-физических экспериментов. Все три великих вклада Стивена в физику были результатом изобретательно задуманных и тщательно спланированных мысленных экспериментов. Первым из них стала его серия теорем о сингулярности Большого взрыва в рамках классической гравитации; вторым – сделанное им в 1974 году в области полуклассической гравитации открытие, что черные дыры излучают; и третьим – «предложение об отсутствии границы» при возникновении Вселенной, также сделанное в рамках полуклассической гравитации.

Можно считать, что парадокс черных дыр представляет только академический интерес – специфические особенности излучения Хокинга вряд ли когда-либо станут доступны наблюдениям. Но парадокс мультивселенной непосредственно основывается на наших космологических наблюдениях. Его суть – сложившиеся в современной космологии напряженные отношения между миром живого и явлением наблюдения с одной стороны и физической Вселенной – с другой. Парадокс мультивселенной стал ориентиром в переосмыслении Хокингом этих отношений путем развития полностью квантового взгляда на космос. Его окончательная теория Вселенной, всецело квантовая, перестраивает основы космологии – и это четвертый великий вклад Хокинга в физику. Подготовка грандиозного мысленного эксперимента, на котором основывается эта теория, в некотором смысле заняла пять столетий. Рассказ о его постановке и выполнении и станет содержанием нашего путешествия.

Рис. 7(b). Стивен (слева) и автор (крайний справа) в 2001 году, вскоре после начала их «научных странствий», в брюссельском баре A La Mort Subite

Глава 2
День, у которого не было «вчера»

Мы можем сравнить пространство-время с открытой конической чашей. Мы движемся вперед во времени, поднимаясь по стенкам к верхней кромке чаши. Мы движемся в пространстве, описывая круги по стенкам. Если мы представим движение вспять во времени, мы достигнем дна чаши. Это первый момент на дне пространства-времени, это «сейчас», у которого нету «вчера», потому что вчера не было пространства.

Жорж Леметр, «Гипотеза первичного атома»

В своем интервью[28]28
  Georges Lemaître, “Rencontres avec Einstein,”: Revue des Questions scientifiques (Bruxelles: Société scientifique de Bruxelles, January 20, 1958), 129.


[Закрыть], переданном по бельгийскому радио в апреле 1957 года по случаю второй годовщины со дня кончины Альберта Эйнштейна, Жорж Леметр вспомнил, как реагировал Эйнштейн, когда он, Леметр, впервые рассказал ему о своем открытии расширения Вселенной. Это было в октябре 1927 года в Брюсселе, в кулуарах Пятого Сольвеевского конгресса по физике, на который съехались самые знаменитые физики всего мира, чтобы обсудить новую квантовую теорию. Тридцатитрехлетний священник и астроном не был участником конгресса – он подошел к Эйнштейну в перерыве между заседаниями. Когда Леметр напомнил Эйнштейну предсказание его общей теории относительности о том, что пространство расширяется и что, следовательно, мы должны наблюдать разбегание галактик, Эйнштейн отмахнулся. «Сделав несколько одобрительных технических замечаний, он закончил разговор, сказав, что с физической точки зрения эта идея кажется ему “отвратной (abominable)”», – вспоминал Леметр.

Но Леметра эти слова не обескуражили. Он относился к своему открытию вполне серьезно. По его мнению, расширение Вселенной означало, что у нее должно было быть начало. Он назвал крошечную крупицу невероятной плотности, в ходе постепенного разрушения которой образовались материя, пространство и время, первичным атомом.

Почему Эйнштейн упорно возражал против идеи начала Вселенной? Он чувствовал, что ее принятие чревато полным разрушением физики. Он считал, что «первичный атом» Леметра или любая другая разновидность Большого взрыва как начала Вселенной станет исходным пунктом для вмешательства Бога в работу Природы. Во время долгих прогулок, которые они вместе совершали в начале 1930-х, Эйнштейн настойчиво убеждал Леметра найти способ избежать идеи «начала всего». «Это слишком сильно напоминает мне христианский догмат о сотворении мира», – говорил он. Ему казалось, что если космологическая теория выдаст Вселенной «свидетельство о рождении», то Вселенной вечно придется хранить молчание о том, кто (или что) в этом свидетельстве указан в качестве родителя, – и тогда придется распроститься с надеждой понять Вселенную на основе одной только науки. И напрасно бельгийский аббат пытался переубедить Эйнштейна, доказывая, что «гипотеза о первичном атоме есть антитезис сверхъестественному сотворению мира»[29]29
  Жорж Леметр сказал это в своей последней публичной лекции «Вселенная и атом», которую он прочeл в 1963 году перед аудиторией, состоявшей из бывших студентов Лёвена. Он выбрал несколько более сильные выражения, чем те, в какие обычно облекал свою позицию, что, без сомнения, отражало его досаду на реакцию оппонентов. Глубокий анализ взглядов Леметра на отношения между наукой и религией (впрочем, до некоторой степени эволюционировавших), включая анализ и этой лекции, дал Доминик Ламбер в книге «Духовный путь Жоржа Леметра» (L’itinéraire spirituel de Georges Lemaître. Bruxelles: Lessius, 2007).


[Закрыть]. В сущности, Леметр видел в происхождении Вселенной чудесную возможность расширить сферу применения естественных наук.

Схватка «Эйнштейн против Леметра» во многом предвосхитила схватку «Линде против Хокинга», которая случилась семьдесят лет спустя. Их споры о первопричине расширения Вселенной упираются в самую сердцевину тайны ее «замысла». Что же имел в виду Леметр, когда говорил о Большом взрыве как об «антитезисе сверхъестественному сотворению мира»? Чтобы понять это, нам придется поближе познакомиться с идеями Эйнштейна и Леметра.

Теоретические основания современной космологии заложены эйнштейновской теорией относительности. Эта история возвращает нас к началу XX столетия, ко времени, когда физики располагали ньютоновскими законами гравитации и движения, а еще разработанной Джеймсом Максвеллом теорией электричества, магнетизма и света. Вместе с теорией теплоты все это послужило основой первой промышленной революции. Мировоззрение, выросшее из этих физических теорий XIX века, соответствовало нашему интуитивному представлению о реальности, в том числе о частицах и полях, распространяющихся в фиксированном пространстве в рамках единого универсального времени – этакого космического Биг-Бена. Естественно, поэтому физики считали, что они располагают исчерпывающим описанием Природы и что физика скоро будет завершена.

Однако в 1900 году ирландско-шотландский физик Уильям Томсон, больше известный как лорд Кельвин, один из гигантов классической физики XIX столетия, заметил «на горизонте две тучки»[30]30
  В 1892 году Томсон был удостоен титула 1-го барона Кельвина Ларгского: этот титул дан по названию речки Кельвин, протекавшей поблизости от его лаборатории в университете Глазго. Сегодня мы знаем о титуле лорда Кельвина в основном потому, что этим именем названа абсолютная шкала температур. Кельвин определил положение абсолютного нуля температуры примерно в минус 273,15 градусов по Цельсию. Он прославился еще одним эпическим предприятием: проложил первый трансатлантический телеграфный кабель между Ирландией и островом Ньюфаундленд. Приводимое выражение употреблено Кельвином в статье: Lord Kelvin, “Nineteenth Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light”// Philosophical Magazine 6, no. 2 (1901): 1–40.


[Закрыть]. Одна из этих «тучек», как определил Кельвин, имела отношение к движению света сквозь эфир, другая – к количеству излучения, которое испускают нагретые объекты. Большинство физиков все же полагали, что с этими мелкими деталями нетрудно будет разобраться, а стройное здание физической теории непоколебимо.

И вот в течение одного десятилетия это здание рухнуло. Попытка разобраться с отмеченными Кельвином «мелочами» привела к двум полномасштабным научным революциям – к появлению теории относительности и квантовой механики. Больше того, каждая из этих революций указала физике радикально отличающиеся друг от друга направления. И в результате сегодня над передним краем физики нависает другая туча: проблема согласования теорий, описывающих макро– и микромир.

Как именно вопрос о свете опрокинул здание физики XIX века? Все дело в его скорости. Тщательно поставленные эксперименты показали, что свет всегда движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду, безотносительно к движению наблюдателя относительно источника светового луча. Ясно, что это не согласуется с ежедневным опытом: если вы едете в поезде, то, конечно, его скорость, измеренная вами изнутри (нулевая), будет отличаться от скорости поезда, измеренной наблюдателем, неподвижно стоящим на перроне. Это шло вразрез и со всем физическим мышлением XIX века. Считалось, что световые волны переносятся эфиром, таинственной средой, заполняющей все пространство. Будь это так, для наблюдателей, движущихся относительно эфира с разными скоростями, световые волны тоже распространялись бы с разной скоростью. Но эксперименты говорили об обратном! Этого было достаточно, чтобы Альберт Эйнштейн, клерк швейцарского патентного бюро, усомнился в существовании эфира. Эйнштейн понял, что, если свет всегда имеет одну и ту же наблюдаемую скорость, значит, у наблюдателей, движущихся друг относительно друга, должны быть разные представления о расстоянии и времени. В конце концов, скорость есть мера пройденного расстояния, деленная на продолжительность движения. Согласно Эйнштейну, каждый из нас носит с собой свои собственные часы, не сверяя их по космическому Биг-Бену – и, хотя все они могут быть идеально точными, когда мы движемся друг относительно друга, тикают они с несколько разной частотой и измеряют время, прошедшее между одними и теми же двумя событиями, по-разному. То же самое и с расстояниями: линейка одного наблюдателя может отличаться от линейки другого. Так что просто не существует универсальных мер длительности и расстояния. Это и было основной идеей опубликованной Эйнштейном в 1905 году специальной теории относительности. Само слово «относительность» здесь выражает именно ту революционную идею, что понятия пространства, времени и одновременности не являются объективными, но всегда связаны с точкой зрения данного наблюдателя.

Вы можете спросить, куда же девается разность расстояний, измеренных одним наблюдателем относительно другого. Просто исчезает? Не совсем. Она переходит в количество времени. Дело в том, что в эйнштейновской релятивистской Вселенной движение в пространстве смешивается с движением во времени. Когда я смотрю на припаркованное спортивное авто моей сестры, я вижу, что оно движется только во времени. Но когда сестра выезжает со стоянки, крохотная часть движения ее машины во времени переходит в движение в пространстве. И это замедляет движение машины во времени: часы сестры теперь идут чуть медленнее моих. Это, конечно, не делает ее похожей на героиню лимерика, которая, уехав сегодня, вернулась домой вчера[31]31
  Автор намекает на лимерик Артура Реджинальда Буллера (1937):
  There was a young lady named Bright
  Whose speed was far faster than light;
  She set out one day
  In a relative way
  And returned on the previous night.
  «Девчонка по имени Света
  Умчалась с лучами рассвета,
  А вернулась вчера
  В полшестого утра —
  Вот что значит лететь быстрее света!» – Примеч. пер.


[Закрыть], но все-таки, когда она снова приедет на стоянку, ее часы немного разойдутся с моими. Максимальная скорость достигается, когда движение во времени полностью обращается в движение в пространстве. Это скорость света – космический предел скорости. Грубо говоря, движение в пространстве со скоростью света не оставляет возможности двигаться во времени. Если бы у частицы света были наручные часы, они бы не тикали.

ТЕОРИЯ ЭЙНШТЕЙНА РАЗРУШИЛА ГЛУБОКО УКОРЕНИВШИЙСЯ НЬЮТОНОВСКИЙ ВЗГЛЯД НА МИР, ГДЕ ПРОСТРАНСТВО БЫЛО ФИКСИРОВАННОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СЦЕНОЙ, НА КОТОРОЙ РАЗЫГРЫВАЛИСЬ СОБЫТИЯ, А ВРЕМЯ – УНИВЕРСАЛЬНОЙ ОДНОНАПРАВЛЕННОЙ СТРЕЛОЙ, УСТОЙЧИВО И РАВНОМЕРНО ДВИГАЮЩЕЙСЯ ИЗ БЕСКОНЕЧНОГО ПРОШЛОГО В БЕСКОНЕЧНОЕ БУДУЩЕЕ.

Вооруженная этими представлениями, теория Эйнштейна разрушила глубоко укоренившийся ньютоновский взгляд на мир, где пространство было фиксированной космической сценой, на которой разыгрывались события, а время – универсальной однонаправленной стрелой, устойчиво и равномерно двигающейся из бесконечного прошлого в бесконечное будущее. В системе представлений Ньютона ничто не могло повлиять на однородную природу пространства и линейное течение времени. Кроме того, время и пространство не были взаимосвязаны. По Ньютону, время было всегда и всегда будет, независимо от любого участка пространства, который может существовать, а может и не существовать.

Специальная теория относительности Эйнштейна бросила вызов этой картине мира, установив внутреннюю глубокую связь между пространством и временем. В 1908 году немецкий математик Герман Минковский, когда-то бывший одним из преподавателей Эйнштейна в Цюрихской высшей технической школе, завершил начатую Эйнштейном смену концепций пространства и времени. Его знаменитая декларация гласит: «Отныне пространство само по себе и время само по себе низводятся до роли теней и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность»[32]32
  Герман Минковский, «Пространство и время» (Raum und Zeit), лекция, прочитанная на 80-м Общем собрании Общества естествоиспытателей и врачей (General Meeting of the Society of Natural Scientists and Physicians) в Кёльне в сентябре 1908 года.


[Закрыть]. Минковский сплавил три измерения пространства и одно измерение времени в единую четырехмерную сущность: пространство-время.

Чтобы визуализировать этот четырехмерный союз, мы обычно удаляем одно или два из трех пространственных измерений и показываем на рисунке остальные вместе с временной осью в виде «пространственно-временной диаграммы». Рис. 8 воспроизводит самую первую сделанную Минковским графическую визуализацию пространства-времени, в которой он сохранил только одно пространственное измерение, направленное горизонтально, и вертикальную временную ось. Эта схема иллюстрирует, как именно специальная теория относительности переопределяет наши отношения со Вселенной. Если мы наблюдаем из точки O, то сигналы, распространяющиеся со скоростью света, – как достигающие нас с противоположных направлений в прошлом, так и уходящие от нас в будущее, – прочерчивают в пространстве-времени две прямые линии, которые пересекаются в точке O и делят пространство-время на четыре непересекающихся части. Прошлое наблюдателя – это треугольная область пространства-времени, ограниченная траекториями световых лучей, приходящих в точку O. Она содержит все события, которые произошли и могут повлиять на действительность, видимую наблюдателем. Будущее наблюдателя – это область пространства-времени, ограниченная световыми лучами, вышедшими из O; в ней содержится все, на что наблюдатель может влиять. Позже нам встретятся пространственно-временные диаграммы, содержащие и второе пространственное измерение в горизонтальной плоскости. На таких диаграммах пути световых лучей в прошлом и в будущем в каждой точке образуют два конуса, касающихся своими вершинами в этой точке и раскрывающихся в противоположных направлениях. В структуре световых конусов, выходящих из каждой точки пространства-времени, и заключается вся суть релятивистской физики. Прежде люди верили, что прошлое и будущее как бы склеены друг с другом при помощи настоящего. Но специальная теория относительности показывает, что для вас – для наблюдателя – прошлое и будущее соприкасаются лишь в одной точке, отмечающей ваше конкретное положение во Вселенной.

Рис. 8. Первая диаграмма, объединяющая пространство и время в пространство-время, опубликованная Германом Минковским в его изданной в 1908 году книге Raum und Zeit («Пространство и время»). Время и одно измерение пространства обозначены штриховыми стрелками, или «векторами». Одна стрелка указывает направление времени (zeitartiger vector), а другая – направление в пространстве (raumartiger vector). Наблюдатель расположен в точке O. Область пространства-времени в его будущем (jenseits von O) ограничена надписью Nachkegel, а в его прошлом (diesseits von O) – Vorkegel. Это световые конусы наблюдателя в будущем и прошлом соответственно.