Текст книги "Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности"

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 52 страниц)

Реальность прошлого и будущего

Исследователи оптимистичны в том, что в лице теории суперструн они наконец-то обретут конструкцию, которая не сломается ни при каких условиях, сколь бы экстремальными они ни были, и позволит нам когда-нибудь узнать, что происходило в самый момент зарождения известной нам Вселенной. К настоящему времени ещё никто не приобрёл достаточной сноровки, чтобы напрямую применить эту теорию к описанию Большого взрыва, но изучение космологических явлений с помощью теории суперструн стало одним из самых приоритетных направлений современных исследований. За последние несколько лет в рамках крупных исследовательских проектов на базе теории суперструн возникли новые космологические концепции (глава 13), предложены новые способы проверки теории суперструн с помощью астрофизических наблюдений, а также появились первые догадки по поводу того, какую роль теория суперструн может играть в объяснении стрелы времени.

Стрела времени благодаря своей роли, определяющей нашу повседневную жизнь, и благодаря своей сокровенной связи с происхождением Вселенной попадает на стык между той реальностью, которую мы ощущаем, и той более тонкой реальностью, которую стремится открыть передовая наука. В этом качестве вопрос стрелы времени проходит красной нитью через многие теории и периодически будет всплывать в следующих главах. Так мы приближаемся к настоящей реальности. Время является одним из самых доминирующих факторов, очерчивающих нашу жизнь. По мере разработки теории суперструн и М-теории будет углубляться наше понимание космологических явлений и постоянно будут заостряться вопросы происхождения времени и стрелы времени. Если дать волю фантазии, то можно даже представить, что глубина нашего понимания однажды позволит нам путешествовать по пространству-времени и тем самым освободиться от пространственно-временных цепей, которыми мы были скованы в течение тысячелетий (глава 15).

Конечно, вряд ли когда-нибудь мы достигнем такого могущества. Но даже если мы так никогда и не сможем управлять пространством и временем, то всё же глубокое понимание их сути будет важно само по себе. Наше постижение истинной природы пространства и времени явится свидетельством возможностей человеческого интеллекта. Мы наконец-то познаем пространство и время – молчаливых вездесущих разметчиков, очерчивающих внешние границы человеческого опыта.

Возмужание в пространстве и времени

Много лет тому назад, перевернув последнюю страницу «Мифа о Сизифе», я был удивлён ощущению оптимизма, венчавшему это эссе. В конце концов, история о человеке, осуждённом вкатывать камень на вершину горы, прекрасно зная, что камень скатится назад и надо будет начинать всё сначала, – это отнюдь не история со счастливым концом. И всё же Камю увидел глубокую надежду в способности Сизифа выражать свободную волю, бороться с непреодолимыми препятствиями и утверждать свой выбор, даже занимаясь абсурдным трудом в равнодушной Вселенной. Отбросив всё, находящееся за пределами непосредственного опыта, и прекратив поиски более глубокого понимания или глубинного смыла, Сизиф, – утверждает Камю, – одерживает победу.

Я был глубоко поражён способности Камю находить надежду там, где большинство других увидят лишь безысходность. Но ни в школьные годы, ни позднее я никогда не мог согласиться с утверждением Камю, что более глубокое понимание Вселенной не сделает жизнь более богатой или сто́ящей. В то время как Сизиф был героем Камю, моими героями стали величайшие учёные – Ньютон, Эйнштейн, Нильс Бор и Ричард Фейнман. А когда я прочёл фейнмановское описание розы – в котором он объяснял, сколь неизмеримо обогатилось его наслаждение ароматом и красотой цветка благодаря знанию физики, позволившему ему также удивляться великолепию молекулярных, атомных и субатомных процессов, – я был по-настоящему захвачен. Я хотел того, что описал Фейнман: понять Вселенную на всех возможных уровнях, а не только на уровне, доступном нашим несовершенным человеческим чувствам. Поиск глубочайшего понимания космоса стал целью моей жизни.

Став профессиональным физиком, я давно уже понял, что было много наивного в моём школьном увлечении физикой. Физики не проводят дни, любуясь цветами в состоянии космического благоговения и мечтательности. Вместо этого много времени мы тратим на схватку со сложными математическими уравнениями, выведенными на исписанной мелом доске. Прогресс может быть медленным. Многообещающие идеи часто никуда не приводят. Таков характер научных исследований. И всё же, даже в периоды самых скромных достижений я нахожу, что усилия, потраченные на поиски и расчёты, лишь заставили меня ощутить более близкую связь с космосом. Я нахожу, что мы приближаемся к познанию Вселенной не только, когда разгадываем её тайны, но и погружая себя в них. Найденные ответы – это замечательно. Ответы, подтверждённые экспериментом, – ещё более крупное достижение. Но даже ответы, оказывающиеся в конечном счёте неверными, являются результатом глубокого погружения в космос – погружения, проливающего яркий свет на рассматриваемые вопросы и, значит, на саму Вселенную. И даже если срывается вниз и откатывается назад «камень», связанный с каким-то научным исследованием, мы, тем не менее, кое-чему учимся, и наше понимание космоса обогащается.

Конечно, история науки показывает, что «камень» нашего коллективного научного исследования (с вкладом учёных всех стран и всех времён) не скатывается с горы на самый низ. В отличие от Сизифа, мы не начинаем с «нуля». Каждое новое поколение учёных стартует с уровня, достигнутого предшественниками, воздавая должное их тяжёлому труду, проницательности и творчеству, и продвигается ещё немного вперёд. Новые теории и более точные измерения являются отметкой научного прогресса, и этот прогресс строится на том, что было достигнуто ранее, и строительная площадка почти никогда не расчищается полностью. Благодаря этому наша работа далека от того, чтобы быть абсурдной или напрасной. Вкатывая «камень» на гору, мы выполняем благородную работу, дающую нам наслаждение: исследуем место, которое мы зовём своим домом, открываем чудеса и передаём своё знание в руки тех, кто следует за нами.

Биологическому виду, который по космическим меркам только что встал на ноги, предстоит решить грандиозные задачи. И всё же, за последние триста лет, переходя от классической к релятивистской, а затем к квантовой реальности и нацелившись теперь на исследование объединённой реальности, наши умы и инструменты охватили грандиозный свод пространства и времени, приблизив нас к пониманию мира, оказавшегося искусным мастером маскировки. Продолжая медленно раскрывать тайны космоса, мы приближаемся к истине. Исследования уже далеко продвинулись, но многие чувствуют, что наш человеческий вид только выходит из состояния детства.

Наше возмужание здесь, на окраине Млечного Пути ^{6} происходит уже долго. Тем или иным путём мы исследуем наш мир и размышляем о космосе тысячи лет. В основном мы делали лишь краткие вылазки в неизвестное, всякий раз возвращаясь домой чуть мудрее, но, по большому счёту, мало чего достигали. Потребовалась дерзость Ньютона, чтобы водрузить флаг научного исследования и никогда больше не повернуть вспять. С тех пор мы идём всё дальше. И все наши путешествия начинались с простого вопроса.

Что такое пространство?

Глава 2. Вселенная и ведро
Пространство – это человеческая абстракция или физическая сущность?

Нечасто случается так, что простое ведро с водой становится предметом, вокруг которого разгораются трёхсотлетние споры. Но это ведро было предметом эксперимента сэра Исаака Ньютона, который был описан им в 1689 г. и который затем будоражил умы многих выдающихся физиков. Эксперимент был простой: возьмём ведро, наполненное водой, подвесим его на верёвке, затем хорошо закрутим верёвку и отпустим ведро. Ведро начнёт вращаться, но вода поначалу остаётся почти неподвижной, а её поверхность – практически плоской. По мере разгона ведра его движение постепенно передаётся за счёт трения воде, и вода тоже начинает вращаться. При этом поверхность воды принимает вогнутую форму, поднимаясь к краям и опускаясь в центре (см. рис. 2.1).

Рис. 2.1.Когда ведро только начинает вращаться, поверхность воды сначала остаётся плоской. Затем, по мере того как вода вовлекается в движение, её поверхность становится вогнутой и остаётся вогнутой даже тогда, когда ведро замедляется и останавливается

Такой вот простенький эксперимент – не бог весть что. Но после небольших размышлений это ведро с вращающейся водой крайне озадачивает. И, поскольку мы не добились полной ясности за три столетия, объяснение этого эксперимента считается одним из самых важных шагов к познанию структуры Вселенной. Чтобы понять, почему это так, необходимо сделать некоторый исторический экскурс, но он стоит того.

Относительность до Эйнштейна

Слово «относительность» ассоциируется у нас с Эйнштейном, но это понятие возникло гораздо раньше. Галилей, Ньютон и многие другие прекрасно понимали, что скорость– как её величина, так и направление – относительна. Например, с точки зрения игрока в бейсбол сильно брошенный мяч может приближаться к игроку со скоростью 150 км/ч. Но с точки зрения мяча это игрокдвижется к нему со скоростью 150 км/ч. Оба утверждения верны; это всего лишь вопрос точки зрения. Движение имеет только относительный смысл: скорость объекта может быть определена только по отношению к другому объекту. Вы, вероятно, уже сталкивались с этим. Когда вы сидите в поезде и видите за окном другой движущийся поезд, вы не можете сразу же сказать, какой поезд на самом деле движется. Галилей описывал это, приводя в своём примере транспортное средство своих дней – корабль. «Подбросьте монетку на плавно плывущем корабле, – говорил Галилей, – и она упадёт точно к вашим ногам, как и на суше. Со своей точки зрения вы с полным правом можете заявить, что это вы неподвижны, а вода накатывает на корабль. И поскольку с этой точки зрения вы неподвижны, то движение монетки по отношению к вам будет точно таким же, как если бы вы стояли на суше».

Конечно, бывают ситуации, в которых движение кажется абсолютным, когда вы чувствуете его и можете заявить, не опираясь на сравнение с чем-то внешним, что вы определённо двигаетесь. Так бывает в случае ускоренногодвижения, при котором меняется величина скорости и/или её направление. Если лодка внезапно кренится, замедляет свой ход или ускоряется, либо меняет направление движения на излучине реки, либо попадает в водоворот и начинает вращаться, вы точно знаете, что вы двигаетесь. И вы осознаёте это, не глядя по сторонам и не сравнивая своё положение с положением какого-либо предмета вне лодки, выбранного за точку отсчёта. Даже если ваши глаза закрыты, вы знаете, что двигаетесь, потому что чувствуете это. Таким образом, хотя вы не можете почувствовать движение с постоянной скоростью в неизменном направлении – движение с постоянным вектором скорости, как его называют, – однако вы можете почувствовать изменениясвоей скорости.

Но если вы чуть призадумаетесь, то заметите нечто странное во всём этом. Что такого особенного в изменениях скорости, что позволяет их выделять и придавать им некий внутренний смысл? Если скорость имеет смысл лишь при сравнении – если вы говорите, что что-то движется, то надо указывать по отношению к чему– то почему выходит, что с изменениями скорости дело обстоит совсем по-другому, и не надо проводить никаких сравнений? Фактически, не может ли оказаться, что на самом делетребуется какое-то сравнение? Не может ли быть так, что некое неявное или скрытое сравнение происходит всякий раз, когда мы ссылаемся на ускоренное движение или ощущаем его? Нас сейчас интересует этот центральный вопрос, поскольку, как это ни может показаться удивительным, он касается глубочайших проблем понимания пространства и времени.

Прозрение Галилея, касающееся движения, в особенности его утверждение о том, что сама Земля движется, навлекло на него гнев инквизиции. Стремясь избежать похожей участи, более острожный Декарт в своих «Началах философии» облёк своё понимание движения в уклончивую формулировку, которая примерно тридцать лет спустя не смогла устоять под испытующим взглядом Ньютона. Декарт говорил, что объекты сопротивляются изменению своего состояния движения: неподвижный объект будет оставаться неподвижным, пока кто-то или что-то не вынудит его двигаться; объект, движущийся с постоянной скоростью по прямой линии, всегда и будет так двигаться, если кто-то или что-то не вынудит его изменить скорость или свернуть с прямой линии. Но что, – спросил Ньютон, – в действительности означают эти понятия «неподвижности» или «движения с постоянной скоростью по прямой линии»? Неподвижность или постоянная скорость с чьей точки зрения? Если скорость не постоянна, то по отношению к чему или с чьей точки зрения она не постоянна? Декарт сознательно опустил наиболее тонкие аспекты смысла движения, но Ньютон понял, что ключевые вопросы остались без ответа.

Ньютон – человек, столь неистовый в поисках истины, что однажды, изучая анатомию глаза, воткнул себе тупую иглу между глазным яблоком и углублением в кости, а позже, будучи директором Монетного двора, послал на виселицу более сотни фальшивомонетчиков – не мог потерпеть сомнительных или неполных объяснений. Поэтому он решил прояснить суть дела. Это привело его к рассмотрению ведра с водой. ^{7}

Ведро

Итак, ведро с водой вращается, и поверхность воды принимает вогнутую форму. Ньютон поставил следующий вопрос: почемуповерхность воды принимает эту форму? Потому что вода вращается, – ответите вы, – и подобно тому, как мы вдавливаемся в боковую стенку машины, когда автомобиль делает резкий поворот, так и вращающаяся вода испытывает давление со стороны стенок ведра; и воде ничего не остаётся, как приподняться вверх. Это здравое рассуждение, но оно не отвечает на суть вопроса Ньютона. Ньютон хотел бы понять, что это значит, когда говорят, что вода вращается: вращается по отношению к чему? Ньютон подошёл к самой сути движения и был далёк от того, чтобы принять утверждение, что ускоренное движение, такое как вращение, не требует никаких сравнений с чем-то внешним. [2]2
  Для описания вращательного движения иногда используют понятия центробежнойи центростремительнойсилы. Но это всего лишь термины, а мы хотим понять, почему вращательное движение вызывает силу.


[Закрыть]

Было бы естественным взять само ведро в качестве системы отсчёта, т. е. говорить о движении воды по отношению к ведру. Но, как заметил Ньютон, такой подход ничего не объясняет. Действительно, в самом начале, когда мы отпускаем ведро, между ним и водой есть относительноедвижение, поскольку вода не начинает сразу же двигаться вместе с ведром. При этом поверхность воды остаётся плоской. Затем, когда вода увлекается ведром и начинает вращаться вместе с ним, уже нет относительногодвижения между ними, но поверхность воды принимает вогнутуюформу. Так что, приняв в качестве системы отсчёта ведро, мы приходим к прямо противоположному результату, чем тот, что можно было бы ожидать: когда есть относительное движение, поверхность воды плоская; а когда относительного движения нет, поверхность – вогнутая.

Посмотрим, что будет дальше с ведром Ньютона. Поскольку ведро продолжает вращаться, то верёвка снова закрутится (теперь уже в другом направлении) и постепенно остановит ведро; затем в какой-то момент ведро на мгновение замрёт, тогда как вода в нём будет продолжать вращаться. В этот момент относительное движение между водой и ведром будет тем же самым, каким оно было в самом начале эксперимента (за исключением несущественной разницы в направлении вращения: по или против часовой стрелки), но форма поверхности воды будет другой(теперь она вогнутая, тогда как раньше была плоской). Это лишний раз доказывает, что с помощью относительного движения ведра и воды нельзя объяснить форму поверхности воды.

Отвергнув ведро в качестве подходящей системы отсчёта для описания движения воды, Ньютон сделал следующий смелый шаг. Вообразите, – предложил он, – похожий эксперимент, проводимый в совершенно пустом космосе. Мы не сможем провести точно такой же эксперимент, поскольку форма поверхности воды зависит и от земного притяжения, отсутствующего в новом эксперименте. Поэтому вообразим громадное ведро – размерами с развлекательный аттракцион, – дрейфующее во тьме пустого космического пространства, и представим, что некий бесстрашный астронавт, Гомер [3]3
  Гомер Симпсон – ещё один персонаж мультсериала о семейке Симпсонов, отец ранее упомянутого Барта. Гомер назван здесь «бесстрашным астронавтом» с большой дозой иронии – в «мультипликационной жизни» он совсем не такой. (Прим. перев.)


[Закрыть], пристёгнут внутри к стенке этого ведра. (В действительности, Ньютон использовал не этот пример; он рассматривал два камня, связанные верёвкой, но суть дела от этого не меняется.) Индикатором вращения ведра (аналогом того, как воду прижимало к стенкам, из-за чего её поверхность становилась вогнутой) будет служить то, что Гомер будет чувствоватьсилу, вдавливающую его во внутреннюю стенку ведра, из-за чего натянется кожа его лица, живот несколько вдавится, и волосы вытянутся по направлению к стенке ведра. И вот вопрос: в полностьюпустом пространстве – где нет ни Солнца, ни Земли, ни воздуха, ни пончиков, ни чего-либо ещё – что могло бы послужить тем ориентиром, по отношению к которому вращается ведро? Поначалу, поскольку мы вообразили совершенно пустое пространство, в котором нет ничего, кроме ведра и его содержимого, можно сделать вывод, что просто нет ничего, что послужило бы таким ориентиром. Ньютон не согласился с этим.

В качестве подходящей системы отсчёта он выбрал первоисходное вместилище – само пространство. Он выдвинул прозрачную пустую арену, на которой все мы находимся и на которой происходит всякое движение, в качестве реальной, физической сущности, которую он назвал абсолютным пространством. ^{8} Мы не можем прикоснуться к абсолютному пространству или ощутить его с помощью своих органов чувств, но, тем не менее, Ньютон заявил, что абсолютное пространство есть нечто. Это есть то, что даёт самую правильную систему отсчёта для описания движения. Объект по-настоящему неподвижен, если он неподвижен по отношению к абсолютному пространству. Объект по-настоящему движется, если он движется по отношению к абсолютному пространству. И, самое главное, как заключил Ньютон, объект по-настоящему ускоряется, если он ускоряется по отношению к абсолютному пространству.

Ньютон использовал это предположение для следующего объяснения эксперимента с ведром. В начале эксперимента ведро вращается по отношению к абсолютному пространству, но вода неподвижна по отношению к абсолютному пространству. Вот почему поверхность воды сначала плоская. По мере того как вода увлекается ведром, она начинает вращаться по отношению к абсолютному пространству, и поэтому её поверхность становится вогнутой. Когда ведро останавливается из-за перекручивания верёвки, вода продолжает вращаться (причём вращаться по отношению к абсолютному пространству), и поэтому её поверхность остаётся вогнутой. Таким образом, в то время как относительным движением между водой и ведром нельзя объяснить наблюдение, это можно сделать, рассматривая относительное движение между водой и абсолютным пространством. Само пространство служит истинной системой отсчёта для определения движения.

Ведро – это только пример; данное рассуждение, конечно же, носит общий характер. Согласно представлениям Ньютона, когда вы поворачиваете, находясь за рулём автомобиля, вы чувствуете изменение направления движения, поскольку ускоренно двигаетесь по отношению к абсолютному пространству. Когда самолёт разгоняется по взлётной полосе, вы чувствуете давление со стороны самолётного кресла, поскольку вы ускоряетесь по отношению к абсолютному пространству. Когда вы вращаетесь на катке, у вас самопроизвольно разбрасываются руки, поскольку вы ускоряетесь по отношению к абсолютному пространству. Напротив, если бы кто-нибудь смог вращать весь каток, а вы бы оставались неподвижными (в идеальной ситуации, когда отсутствует трение), то между вами и льдом было бы то же самое относительное движение, но ваши руки не разбрасывались бы в стороны, поскольку вы бы не ускорялись по отношению к абсолютному пространству. И, чтобы вас не сбили с толку несущественные детали, относящие к человеческому телу, приведём пример самого Ньютона: когда два камня, связанные верёвкой, вращаются в пустом пространстве, верёвка натягивается, поскольку камни ускоряются по отношению к абсолютному пространству. За абсолютным пространством остаётся последнее слово в определении того, что есть движение.

Но что такое абсолютное пространство на самом деле? Ньютон ответил на этот вопрос, лишь постулировав существование абсолютного пространства. Сначала он написал в своих «Началах» [4]4
  Мы стараемся давать цитаты из Исаака Ньютона в классическом переводе А. Н. Крылова, что, однако, не всегда возможно. Проблема в том, что А. Н. Крылов переводил третье издание «Начал», а Б. Грин пользовался первым или вторым. Тексты разных изданий отличаются довольно сильно. В случае невозможности использования перевода А. Н. Крылова перевод будет даваться с английского оригинала книги Б. Грина. Перевод А. Н. Крылова будет приводиться по изданию: Ньютон И.Математические начала натуральной философии / Пер. с лат. и комментарии А. Н. Крылова; Предисловие Л. С. Поллака. М.: URSS, 2008. (Прим. ред.)


[Закрыть]: «Так как время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные, я их не определяю» ^{9} , не пытаясь дать строгое и точное определение этим понятиям. Его следующие слова стали широкоизвестными: «Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остаётся всегда одинаковым и неподвижным». [5]5
  Ньютон И.Математические начала натуральной философии. С. 30. (Прим. ред.)


[Закрыть]Иными словами, абсолютное пространство просто существует, и так было и будет всегда. Но есть намёки на то, что сам Ньютон не был полностью удовлетворён, просто декларируя существование и значимость чего-то, что нельзя непосредственно увидеть, измерить или на что невозможно повлиять. Он написал:

«Распознание истинных движений отдельных тел и точное их разграничение от кажущихся весьма трудно, ибо части того неподвижного пространства, о котором говорилось и в котором совершаются истинные движения тел, не ощущаются нашими чувствами». [6]6
  Ньютон И.Математические начала натуральной философии. С. 36. (Прим. ред.)


[Закрыть]

Так Ньютон оставил нас в довольно неловком положении. Он положил абсолютное пространство в центр описания самого основного и существенного элемента физики – движения, – но оставил его определение нечётким и признал собственную неудовлетворённость тем, что поместил такое важное яйцо в такую эфемерную корзину. Многие другие разделили его неудовлетворённость.