Самая красивая из теорий

Карло Ровелли

Семь этюдов по физике

 

Библиотека фонда «Траектория» –

 

 

 «Карло Ровелли. Семь этюдов по физике»: АСТ; Москва; 2017

ISBN 978-5-17-106692-5

Аннотация

 

Карло Ровелли – физик-теоретик, внесший значительный вклад в физику пространства и времени, автор нескольких научно-популярных книг. Он работал в Италии и США, а сейчас возглавляет исследовательскую группу по квантовой гравитации в Марселе. «Семь этюдов по физике» мгновенно стали бестселлером в Италии и переведены на несколько десятков языков. В этой книге Ровелли кратко и увлекательно рассказывает о самых потрясающих открытиях революции, произошедшей в физике в XX веке, и о вопросах, все еще ждущих своего разрешения.

 

Карло Ровелли

Семь этюдов по физике

 

Carlo Rovelli

Sette brevi lezioni di fisica

ADELPHI EDIZIONI

 

© 2014 Adelphi Edizioni S. P. A. Milano

© А. Якименко, перевод на русский язык 2017

© ООО «Издательство АСТ», 2017

Издательство CORPUS

 

К читателям «Библиотеки Сбербанка»

 

Дорогие читатели!

 

Перед вами книга итальянского физика-теоретика Карло Ровелли, одного из основоположников теории петлевой квантовой гравитации. Эта теория нацелена на «связывание» квантовой физики с общей теорией относительности (опирающихся на разные наборы принципов), что в случае успеха позволит ученым построить «теорию всего», закрыв большую часть белых пятен в современной физике.

В «Семи этюдах по физике» изложены основные концепции теории относительности, квантовой механики, физики элементарных частиц, космологии, каждую из которых в научной среде принято рассматривать независимо друг от друга. Тем не менее в данной книге Карло Ровелли демонстрирует, что все: от удивительного и живущего по своим непонятным законам квантового мира до Вселенной с ее невообразимыми масштабами – может иметь одну и ту же природу и может жить по одним и тем же законам. Более того, автор показывает, что эти теории в большей степени не противоречат друг другу, а являются общим взглядом на наш мир под разными углами, что и составляет целостную картину бытия.

Разработка и описание подобных теорий требуют колоссальных знаний не только по физике, но и по многим разделам других наук, необходимых для построения соответствующих моделей, что делает работу и ориентирование в этой области уделом очень ограниченного круга лиц. Однако отличительной чертой автора является способность говорить о сложных вещах на простом и понятном языке, поэтому данная книга будет полезна всем читателям без исключения, независимо от уровня их образования и научной подготовки.

Ввиду своего объема и научно-популярной ориентированности книга «Семь этюдов по физике» не сможет ответить на все вопросы, возникающие во время ее прочтения. Однако она позволит взглянуть на наш мир с другой, непривычной точки зрения, открывая перед читателем невообразимую красоту и необъятность окружающей нас природы.

 

Руслан Юнусов,

генеральный директор

Российского квантового центра

 

 

Предисловие

 

Эти короткие этюды написаны для тех, кто почти или совсем ничего не знает о современной науке. Вместе они дают общее представление о самых потрясающих открытиях великой революции, произошедшей в физике в XX веке, и о вопросах и загадках, вскрытых этой революцией. Ведь наука показывает нам, как лучше понять мир, но еще и обнажает всю глубину того, что до сих пор не познано.

Первый этюд посвящен общей теории относительности Альберта Эйнштейна, «самой красивой из существующих физических теорий». Второй – квантовой механике, скрывающей наиболее трудные проблемы современной физики. Третий посвящен космосу: архитектуре Вселенной, которую мы населяем; четвертый – ее элементарным частицам. В пятом этюде речь идет о квантовой гравитации: о попытках свести в единую теорию главнейшие открытия XX столетия. Шестой этюд – о вероятности и о теплоте черных дыр. Последняя глава книги возвращает нас к самим себе, поднимая вопрос, как можно размышлять о нашем существовании в том странном мире, какой описывает физика.

Эти этюды – расширенная версия серии статей, опубликованных автором в воскресном приложении итальянской газеты Il Sole 24 Ore. Я хочу в особенности поблагодарить Армандо Массаренти за то, что он открыл для науки страницы воскресной газеты, посвященные культуре, тем самым позволив осветить значение этой ее неотъемлемой и жизненно важной части.

 

Этюд первый

Самая красивая из теорий

 

В юности Альберт Эйнштейн прожил больше полугода довольно бесцельно. Нельзя добиться успеха, не «теряя» времени, – к сожалению, родители подростков часто склонны об этом забывать. Он был в Павии, где воссоединился со своей семьей после того, как бросил обучение в Германии, не вытерпев строгостей тамошней гимназии. Это был конец XIX века, а в Италии – начало промышленной революции. Его отец, инженер, поставлял электроприборы для первых электростанций на Паданской равнине. Альберт читал Канта и посещал отдельные лекции в местном университете – для собственного удовольствия, без зачисления и необходимости думать об экзаменах. Вот так становятся серьезными учеными.

Затем Эйнштейн поступил в политехнический институт в Цюрихе и погрузился в изучение физики. Несколько лет спустя, в 1905 году, он послал три статьи в самый престижный научный журнал того времени – Annalen der Physik. Каждая из них заслуживает Нобелевской премии. Первая показывает, что атомы на самом деле существуют. Вторая закладывает фундамент для квантовой механики, речь о которой пойдет в следующей главе. Третья представляет его первую теорию относительности (сегодня известную как «специальная теория относительности»), теорию, объясняющую, что время течет не одинаково для всех: два идентичных близнеца обнаруживают, что перестали быть одного возраста, если один из них перемещался с большой скоростью.

Эйнштейн в одночасье стал знаменитым ученым и получил предложения о работе из множества университетов. Но кое-что не давало ему покоя: несмотря на мгновенное признание, его теория относительности не увязывалась с тем, что мы знаем о тяготении, то есть с тем, как падают предметы. Он начал осознавать это, когда писал статью, обобщающую его теорию, и задумался, не нуждается ли закон «всемирного тяготения», как его сформулировал сам отец физики, Исаак Ньютон, в пересмотре, чтобы сделать его совместимым с новой концепцией относительности. Эйнштейн с головой ушел в проблему. На ее решение у него уйдет десять лет. Десять лет лихорадочных исследований, попыток, заблуждений, замешательства, ошибочных статей, блестящих идей, неверно понятых мыслей.

В конце концов в ноябре 1915 года он опубликовал статью, в которой давалось полное решение: новая теория тяготения, названная им общей теорией относительности, его шедевр и «самая красивая из существующих физических теорий», по мнению выдающегося русского физика Льва Ландау.

Есть непререкаемые шедевры, которые глубоко нас трогают: «Реквием» Моцарта, «Одиссея», Сикстинская капелла, «Король Лир». Для того чтобы в полной мере оценить их гениальность, порой требуется длительное обучение, но наградой станет истинная красота, и не только: нашим глазам откроется новое видение мира. Жемчужина Эйнштейна, общая теория относительности, – шедевр такого порядка.

Помню волнение, охватившее меня, когда я начал ее понимать. Стояло лето. Я был на пляже в Кондофури в Калабрии, в солнечном сиянии античного Средиземноморья, на последнем году моего обучения в университете. Заниматься лучше всего получается в каникулы, не отвлекаясь на учебный процесс. Я занимался по книге, погрызенной по краям мышами, поскольку раньше ночами я закрывал ею норы этих несчастных созданий в довольно обветшалом, хипповском доме на умбрийском склоне, где укрывался от скуки университетских занятий в Болонье. Я то и дело отрывал взгляд от книги и глядел на сверкающее море: мне казалось, будто я действительно вижу искривление пространства-времени, угаданное Эйнштейном. Как по волшебству: словно друг нашептывал мне на ухо небывалую сокровенную правду, внезапно приподнимая полог реальности, чтобы раскрыть более простой, более глубокий порядок. С тех самых пор, как мы обнаружили, что Земля круглая и вращается, как сумасшедшая юла, мы поняли, что реальность не такая, какой нам кажется: всякий раз, познавая новую ее грань, мы переживаем глубокий эмоциональный опыт. Очередная завеса упала.

Однако среди многочисленных научных прорывов, следовавших один за другим на протяжении всей истории, прорыв Эйнштейна, пожалуй, не имеет себе равных. Почему?

Да хотя бы потому, что, чуть только понимаешь, как теория работает, она поражает своей простотой. Опишу ее суть.

Ньютон попытался объяснить причину, по которой предметы падают, а планеты вращаются. Он вообразил, что существует сила, притягивающая все материальные тела друг к другу, и назвал ее силой тяготения. Как эта сила проявлялась по отношению к удаленным друг от друга объектам, между которыми не было ничего, оставалось неясно – и великий отец современной науки опасался выдвигать предположения. Ньютон также считал, что тела перемещаются по пространству и что пространство – вместительный пустой контейнер, большая коробка, содержащая в себе Вселенную, необъятная структура, по которой все объекты движутся прямо, пока сила не вынудит их траектории искривиться. Из чего сделано это пространство, этот контейнер для мира, изобретенный Ньютоном, он сказать не мог. Однако за несколько лет до рождения Эйнштейна два выдающихся английских физика, Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл, добавили в ньютоновский бесстрастный мир ключевой ингредиент: электромагнитное поле. Это поле – реальная сущность: распределенное повсюду, оно переносит радиоволны, наполняет пространство, колеблется, как поверхность озера, и «передает» электрическую силу. Еще с юности Эйнштейн был зачарован этим электромагнитным полем, вращающим роторы на электростанциях, построенных благодаря его отцу, и вскоре начал понимать, что гравитация, как и электричество, должна также переноситься полем: должно существовать «гравитационное поле», аналогичное электрическому. Он задался целью понять, как это гравитационное поле работает и как его можно описать уравнениями.

И тогда необычайная мысль посетила его, абсолютно гениальная идея: гравитационное поле не распределено по пространству, гравитационное поле и есть само это пространство. Вот в чем смысл общей теории относительности. Ньютоновское «пространство», в котором движутся предметы, и «гравитационное поле» – совершенно одно и то же.

Это был миг прозрения. Серьезное упрощение мира: пространство больше не было чем-то отличным от вещества, оно стало одной из «материальных» составляющих мира. Колеблющейся, изгибающейся, искривляющейся, закручивающейся. Мы не содержимся внутри невидимой жесткой структуры: мы погружены в гигантскую гибкую раковину улитки. Солнце искривляет пространство вокруг себя, и Земля вращается вокруг него не под действием загадочной силы, а потому, что несется по прямой в пространстве, которое изгибается, – как шарик, скатывающийся в воронку. Нет никаких таинственных сил, порождаемых в центре воронки; ее изогнутые стенки – вот что заставляет шарик скатываться. Планеты вращаются вокруг Солнца, а предметы падают, потому что пространство искривляется.

Как описать это искривление пространства? Самый выдающийся математик XIX столетия Карл Фридрих Гаусс – его называют королем математиков – вывел формулу для описания двумерных искривленных поверхностей, таких как поверхности холмов. Затем он попросил своего одаренного студента обобщить теорию, чтобы охватить пространства трех или более измерений. Упомянутый студент, Бернхард Риман, написал впечатляющую докторскую диссертацию на эту тему, которая кажется совершенно бесполезной. Вывод его работы состоял в том, что свойства искривленного пространства отражает определенное математическое понятие, которое мы знаем сегодня как риманову кривизну и обозначаем буквой R. Эйнштейн написал уравнение, гласящее, что R  эквивалентна энергии материи. Иными словами, пространство искривляется там, где есть материя. Вот и все. Уравнение умещается на половине строчки, полностью. Предвидение – что пространство искривляется – стало уравнением.

Однако в этом уравнении – целая вселенная. И невероятное богатство теории раскрывается в фантасмагорической цепи предсказаний, которые напоминают исступленный бред безумца, но все до единого подтвердились.

Прежде всего, уравнение описывает, как пространство изгибается около звезды. Из-за этого искривления не только планеты действительно обращаются вокруг звезды, но свет перестает распространяться по прямой линии и отклоняется от нее. Эйнштейн предсказал, что Солнце вынуждает свет отклоняться от прямой. В 1919 году это отклонение было измерено – предсказание оправдалось. Но не только пространство искривляется, время тоже. Эйнштейн предсказал, что время бежит быстрее высоко наверху, чем внизу, ближе к Земле. Это было измерено и оказалось верным. Если человек, живший на уровне моря, встретится со своим близнецом, жившим в горах, он обнаружит, что родственник чуть старше его. И это лишь начало.

Когда большая звезда сжигает все свое сгораемое вещество (водород), она умирает. Остатки звезды больше не поддерживаются теплом сгорания и сжимаются под собственным весом в точку, где искривляют пространство настолько, что оно схлопывается в настоящую дыру. Это знаменитые черные дыры. Когда я учился в университете, их считали предсказаниями заумной теории, вызывающими мало доверия. Сегодня астрономы наблюдают их в небе сотнями и очень детально изучают.

Но и это еще не все. Пространство целиком способно расширяться и сжиматься. Более того, уравнение Эйнштейна показывает, что пространство не может не изменяться, оно должно  расширяться. В 1930 году расширение Вселенной действительно зарегистрировали. То же уравнение предсказывает, что расширение должно было запуститься взрывом молодой, чрезвычайно маленькой и необычайно горячей Вселенной – тем, что сейчас мы называем Большим взрывом. Опять же никто поначалу в это не верил, но подтверждения все накапливались, пока в небе не было непосредственно зарегистрировано космическое фоновое излучение – рассеянное свечение, оставшееся от тепла, выделившегося при исходном взрыве. Предсказание, порожденное уравнением Эйнштейна, оказалось верным. А дальше теория утверждает, что пространство колышется, как поверхность моря. Эффекты от этих «гравитационных волн» наблюдаются в небе на двойных звездах и соответствуют предсказаниям теории с поразительной точностью – до одной стомиллиардной. И так далее.

Если вкратце, теория описывает многоцветный и потрясающий мир, где вселенные взрываются, пространство схлопывается в бездонные дыры, время замедляется вблизи планет и по безграничному межзвездному пространству бежит рябь, словно по поверхности моря… И все это, постепенно вырисовывавшееся из моей погрызенной мышами книги, не было сказкой, выдуманной сумасшедшим в припадке безумия, или галлюцинацией, вызванной жгучим средиземноморским солнцем и ослепительным морем Калабрии. Это было реальностью.

Или, лучше сказать, проблеском реальности, чуть приоткрывшейся по сравнению с нашим замутненным и банальным повседневным взглядом на нее. Реальности, кажущейся сотканной из той же материи, что и наши сны, но тем не менее более подлинной, чем наши неопределенные ежедневные грезы.

Все это результат изначального прозрения: пространство и гравитационное поле суть одно и то же. И простого уравнения, которое я не могу не привести здесь, даже несмотря на то, что вы почти наверняка не сумеете в нем разобраться. Возможно, кто-то из читателей все-таки сможет оценить его дивную простоту:

 

Rab – 1/2 R gab = Tab

 

Вот и все.

Вам, конечно, придется изучить и усвоить риманову геометрию, чтобы овладеть техникой для прочтения и использования этого уравнения. Это требует некоторой решимости и усердия. Но меньших, чем необходимо для того, чтобы оценить изысканную красоту позднего струнного квартета Бетховена. Награда в обоих случаях – истинная красота и новый взгляд на мир.

 

Этюд второй

Кванты

 

Два столпа физики XX века – общая теория относительности, о которой я говорил в первой главе, и квантовая механика, с которой мы имеем дело здесь, – не могли бы отличаться друг от друга сильнее. Обе теории учат нас, что тонкая структура природы искуснее, чем кажется. Однако общая теория относительности – плотная жемчужина: это простое и согласованное видение гравитации, пространства и времени, постигнутое единственным умом – Альберта Эйнштейна. Квантовая же механика, или квантовая теория, добилась несравненного экспериментального успеха и привела к созданию практических приложений, преобразивших нашу повседневную жизнь (вспомним хотя бы компьютер, на котором я печатаю), – и все равно спустя более ста лет после своего рождения она остается окутанной тайной, непостижимой.

Обычно говорят, что квантовая механика родилась точно в 1900 году, фактически ознаменовав наступление века напряженной мысли. Немецкий физик Макс Планк вычислил электрическое поле в горячем ящике в состоянии теплового равновесия. Для этого он прибегнул к трюку: представил, будто энергия поля распределена по «квантам», то есть сосредоточена в пакетах, порциях. Это ухищрение привело к результату, который прекрасно воспроизвел измерения (а значит, обязательно в какой-то степени был правильным), но расходился со всем, что тогда было известно. Считалось, что энергия изменяется непрерывно, и не было причин обращаться с ней так, словно она сложена из небольших кирпичиков. Вообразить энергию составленной из ограниченных пакетов было для Планка своеобразной вычислительной уловкой, и он сам не понял до конца причину ее эффективности. И снова Эйнштейн пять лет спустя осознал, что «пакеты энергии» реальны.

Эйнштейн показал, что свет состоит из порций – частиц света. Сегодня мы называем их фотонами. Он написал во вступлении к своей статье:

Я и в самом деле думаю, что опыты, касающиеся «излучения черного тела», фотолюминесценции, возникновения катодных лучей при освещении ультрафиолетовыми лучами и других групп явлений, связанных с возникновением и превращением света, лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно. Согласно этому сделанному здесь предположению, энергия пучка света, вышедшего из некоторой точки, не распределяется непрерывно во все возрастающем объеме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком.^[1]

Эти простые и ясные строки – настоящее свидетельство о рождении квантовой теории. Обратите внимание на прекрасное начало «Я… думаю…», отсылающее нас к тем же словам, которыми Дарвин предваряет в своих дневниках великую идею о том, что виды эволюционируют, и к «неуверенности», как написал Фарадей, когда впервые выдвигал революционную идею магнитных полей. Гении сомневаются.

К работе Эйнштейна коллеги поначалу отнеслись как к неуклюжей пробе пера исключительно одаренного юноши. Именно за эту работу он впоследствии получил Нобелевскую премию. Если Планк – отец теории, то Эйнштейн – родитель, воспитавший ее.

Однако, как любое дитя, теория затем пошла своим собственным путем, не распознанным самим Эйнштейном. Только датчанин Нильс Бор во втором и третьем десятилетиях XX века положил начало ее развитию. Именно Бор понял, что энергия электронов в атомах может принимать лишь определенные значения, как энергия света, и, самое главное, что электроны способны только «перескакивать» между одной атомной орбитой и другой с фиксированными энергиями, испуская или поглощая фотон при скачке. Это знаменитые «квантовые скачки». И именно в институте Бора в Копенгагене самые блестящие молодые умы века собрались вместе, чтобы изучить эти загадочные особенности поведения в мире атомов, попытаться привнести в них порядок и построить непротиворечивую теорию. В 1925 году уравнения теории наконец появились, заменив собой всю механику Ньютона.

Трудно представить себе более выдающееся достижение. Все сразу обретает смысл, и вы можете все вычислить. Один простой пример: помните периодическую таблицу элементов, составленную Менделеевым, в которой перечислены все возможные простые вещества, входящие в состав Вселенной, от водорода до урана, и которая висит на стенах многих школьных классов? Почему в ней перечислены именно эти элементы и почему периодическая таблица имеет конкретно такую структуру, с этими периодами и элементами, обладающими именно этими специфическими свойствами? Ответ в том, что каждый элемент соответствует одному решению главного уравнения квантовой механики. Вся химия возникает из единственного уравнения.

Первым, кто написал уравнения новой теории, основываясь на невообразимых идеях, был молодой немецкий гений – Вернер Гейзенберг.

Гейзенберг предположил, что электроны существуют не всегда. А только тогда, когда кто-то или что-то наблюдает за ними – или, лучше сказать, когда они взаимодействуют с чем-то еще. Они материализуются на месте, с вычислимой вероятностью, когда с чем-либо сталкиваются. Квантовые скачки с одной орбиты на другую – единственный способ быть «реальными» в их распоряжении: электрон есть набор скачков от одного взаимодействия до другого. Когда ничто его не тревожит, он не находится ни в каком конкретном месте. Он вообще не в «месте».

Словно Бог не изобразил реальность четко прочерченной линией, а лишь наметил ее еле видным пунктиром.

В квантовой механике ни один объект не имеет определенного положения, за исключением случаев, когда он сталкивается лоб в лоб с чем-то еще. Чтобы описать его посередине между одним взаимодействием и другим, мы используем отвлеченную математическую формулу, которая не существует в реальном пространстве, только в абстрактном математическом. Но есть кое-что и похуже: эти основанные на взаимодействии скачки, которыми каждый объект перемещается из одного места в другое, происходят не предсказуемым образом, а по большому счету случайным. Невозможно предсказать, где электрон появится вновь, можно лишь вычислить вероятность, с которой он возникнет здесь или там. Вопрос вероятности ведет в самое сердце физики, где все, как прежде казалось, регулируется строгими законами, универсальными и неотвратимыми.

Считаете это нелепостью? Так думал и Эйнштейн. С одной стороны, он выдвинул кандидатуру Гейзенберга на соискание Нобелевской премии, признавая, что тот понял о мире нечто принципиально важное, тогда как с другой – не упускал ни единого случая, чтобы поворчать о том, что в утверждениях Гейзенберга не слишком-то много смысла.

Молодые львы копенгагенской группы были растеряны: как это возможно, чтобы Эйнштейн так думал? Их духовный отец, человек, который первым явил отвагу мыслить непомыслимое, теперь отступил и боялся этого нового прыжка в неизвестное, прыжка, им же самим и вызванного. Тот же Эйнштейн, показавший, что время не универсально и пространство искривлено, теперь говорил, что мир не может быть настолько странным.

Бор терпеливо объяснял новые идеи Эйнштейну. Эйнштейн выдвигал возражения. Он придумывал мысленные эксперименты, чтобы показать противоречивость новых идей. «Представьте себе ящик, наполненный светом, из которого вылетает один фотон…»^[2] – так начинается один из его знаменитых примеров, мысленный эксперимент над ящиком со светом. В конце концов Бор всегда умудрялся найти ответ, который опровергал возражения Эйнштейна. Их диалог продолжался годами – в виде лекций, писем, статей… В ходе этого обмена мыслями обоим великим ученым приходилось отступать, менять свой подход. Эйнштейн вынужден был согласиться, что никакого противоречия в новых идеях на самом деле нет, а Бор – признать, что все не так просто и прозрачно, как он полагал изначально. Эйнштейн не хотел уступать в том, что для него было ключевым моментом: что есть объективная реальность, не зависящая от того, кто и с чем взаимодействует. Бор не отступился бы от кардинально нового способа, каким квантовая теория осмысляла действительность. В конце концов Эйнштейн признал, что эта теория – гигантский шаг вперед в нашем понимании мира, но остался убежден, что все не может быть настолько странным, как предполагается ею, – что «за» этой теорией должно быть следующее, более разумное объяснение.

Век спустя мы все на том же месте. Уравнения квантовой механики и их следствия применяются ежедневно в самых разных областях – физиками, инженерами, химиками и биологами. Они играют чрезвычайно важную роль во всех современных технологиях. Без квантовой механики не было бы никаких транзисторов. И все же эти уравнения остаются загадочными. Поскольку описывают не то, что происходит с физической системой, а только как физическая система влияет на другую физическую систему.

Что это означает? Что принципиальная сущность системы не поддается описанию вообще? Значит ли это, что нам не хватает лишь кусочка мозаики? Или это значит, как кажется мне, что мы должны смириться: реальность – лишь взаимодействие? Наше знание растет, работая на практике. Оно позволяет нам создавать новое, чего прежде мы даже не могли себе представить. Но это приращение вскрыло и новые вопросы. Новые загадки. Те, кто использует уравнения теории в лабораториях, спокойно продолжают это делать, но в статьях и на конференциях, все более многочисленных в последние годы, физики и философы продолжают поиск. Что такое квантовая теория спустя столетие после своего рождения? Небывалое погружение вглубь природы реальности? Большой просчет, который по случайности работает? Фрагмент неполной мозаики? Или ключ к некоему абсолюту, касающемуся структуры мира, которую мы все еще по-настоящему и не познали?

Когда Эйнштейн умер, его главный соперник Бор нашел для него слова трогательного восхищения. Когда через несколько лет умер и Бор, кто-то сделал фотографию доски в его кабинете. На ней рисунок. Ящик со светом из мысленного эксперимента Эйнштейна. До самого конца – стремление спорить с самим собой, чтобы понять больше. И до последнего – сомнение.

Этюд третий
Архитектура космоса

В первой половине XX века Эйнштейн описал закулисье пространства и времени, тогда как Нильс Бор и его молодые последователи запечатлели в уравнениях странную квантовую природу вещества. Во второй половине столетия физики возвели надстройки над этим фундаментом, применяя две новые теории к крайне разнящимся областям природы: от макрокосмической структуры Вселенной до микрокосма элементарных частиц. Мы поговорим о первой из них сейчас, а о второй – в следующей главе.

Эта глава в основном состоит из простых рисунков. Поскольку прежде каких-либо экспериментов, измерений, математических выкладок и строгих выводов наука – это в первую очередь наблюдения. Наука начинается с наблюдения. Научная мысль подпитывается способностью «видеть» вещи иначе, чем их видели раньше. Я хочу набросать здесь краткую простую карту путешествия между различными представлениями о Вселенной.

 

Этот рисунок показывает, как космос мыслился тысячелетиями: внизу Земля, вверху небо. Первая великая научная революция, произведенная Анаксимандром двадцать шесть веков назад, когда он пытался выяснить, как возможно, чтобы Солнце, Луна и звезды вращались вокруг нас, заменила предыдущую схему космоса на эту:

 

 

Теперь небо повсюду вокруг Земли, не только над ней, и Земля – огромная глыба, парящая в пространстве, не падая. Вскоре кто-то (возможно, Парменид, а может, Пифагор) понял, что сфера – самая разумная форма для этой парящей Земли, для которой все направления одинаковы. А Аристотель привел убедительные научные доводы, подтверждавшие сферическую природу как Земли, так и небес вокруг нее, где небесные тела движутся своими путями. Вот получившаяся схема космоса:

 

 

И такой космос, каким описал его Аристотель в своем трактате «О небе», – картина мира, которая оставалась характерной для средиземноморских цивилизаций вплоть до конца Средних веков. Такое представление о мире давали в школе Данте и Шекспиру.

Следующий прорыв осуществил Коперник, совершив, как это стали называть, великую научную революцию. Его мир не так уж сильно отличался от аристотелевского:

 

 

Однако на самом деле существенное различие есть. Подхватив идею, уже обдумывавшуюся в античности, Коперник понял и показал, что наша Земля не в центре хоровода планет и что вместо нее там Солнце. Наша планета становится одной среди прочих, обращающихся с высокой скоростью вокруг своей оси и вокруг Солнца.

Приращение нашего знания продолжалось, и благодаря улучшенным приборам вскоре стало понятно, что сама Солнечная система – лишь одна среди огромного числа других и что Солнце – не более чем звезда, как и все другие. Мельчайшая частичка в грандиозном облаке из ста миллиардов звезд – нашей Галактике:

 

 

Однако в 1930-х годах точные астрономические измерения туманностей, небольших белесоватых облаков между звездами, показали, что наша Галактика сама – пылинка в громадном облаке галактик, простирающемся настолько далеко, насколько хватает взгляда, даже с использованием мощнейших телескопов. Мир теперь стал единообразным и безграничным простором.

Иллюстрация ниже – не рисунок. Это снимок, сделанный телескопом «Хаббл» на орбите, показывающий более глубокое изображение неба, чем удавалось увидеть когда-либо ранее с помощью самых зорких из наших телескопов: для невооруженного глаза все будет выглядеть ничтожным кусочком кромешно черного неба. При наблюдении через телескоп «Хаббл» безмерно удаленные точки размываются. Каждая черная точка на изображении – галактика, состоящая из сотни миллиардов солнц, похожих на наше. В последние несколько лет удалось увидеть, что вокруг большинства из этих солнц вращаются планеты. Таким образом, во Вселенной существуют тысячи миллиардов миллиардов миллиардов планет вроде Земли. И в каком бы направлении мы ни посмотрели, мы увидим это:

 

 

Однако это бесконечное единообразие, в свою очередь, – не то, чем кажется. Как я объяснял в первой главе, пространство не плоское, а искривленное. Мы вынуждены представлять себе текстуру Вселенной, с ее всплесками галактик, покачивающейся в волнах, сходных с морскими, – иногда настолько сильно искривленную, что возникают провалы – черные дыры. Поэтому давайте вернемся к рисункам, чтобы изобразить эту вселенную, изборожденную огромными волнами:

 

 

И наконец, сегодня мы знаем, что этот бескрайний гибкий космос, испещренный галактиками и развивавшийся пятнадцать миллиардов лет, возник из невообразимо горячего и плотного облачка. Чтобы изобразить это, нам теперь нужно нарисовать не Вселенную, а всю ее историю. Вот она, схематически:

 

 

Вселенная началась с маленького шарика, а затем взорвалась до своих сегодняшних космических размеров. Это наше современное видение Вселенной, самое крупномасштабное из всех, что мы знаем.

Есть ли что-то еще? Было ли еще раньше что-то? Возможно, да. Мы поговорим об этом через несколько глав. Существуют ли другие похожие вселенные – или непохожие? Мы не знаем.

Этюд четвертый
Частицы

Во вселенной, описанной в предыдущей главе, свет и физические объекты движутся. Свет состоит из фотонов, частиц света, постигнутых Эйнштейном. Объекты, которые мы видим, состоят из атомов. Каждый атом содержит ядро, окруженное электронами. Каждое ядро составляют плотно упакованные протоны и нейтроны. И протоны, и нейтроны состоят из еще меньших частиц, которые американский физик Мюррей Гелл-Манн назвал «кварками», вдохновившись загадочным словом из бессмысленной фразы произведения Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мастера Марка!»^[3] Стало быть, все, чего бы мы ни коснулись, состоит из электронов и из этих кварков.

Сила, «склеивающая» кварки внутри протонов и нейтронов, создается частицами, которые физики (довольно предсказуемым образом) называют «глюонами».^[4]

Электроны, кварки, глюоны и фотоны – компоненты всего, что покачивается в пространстве вокруг нас. Они и есть те «элементарные частицы», которые изучаются в соответствующем разделе физики. К ним добавляются еще несколько других частиц, например нейтрино, роящиеся во Вселенной, но мало взаимодействующие с нами, и бозоны Хиггса, недавно зарегистрированные в Женеве в Большом адронном коллайдере ЦЕРНа. Но элементарных частиц на самом деле не так уж много, меньше десяти типов. Пригоршня простейших ингредиентов, которые играют роль деталек в гигантском конструкторе лего, выстраивая всю окружающую нас материальную реальность.

Природа этих частиц и то, как они движутся, описывается квантовой механикой. Эти частицы реальны не как мелкие камушки, а скорее как «кванты» соответствующих полей, равно как фотоны – «кванты» электромагнитного поля. Они элементарные возмущения подвижного субстрата, похожего на поле Фарадея и Максвелла. Крошечные подвижные волны. Они исчезают и появляются вновь согласно причудливым законам квантовой механики, где все существующее никогда не стабильно и есть не более чем скачок от одного взаимодействия к другому.

Даже если мы будем наблюдать за небольшой пустой областью пространства, в которой нет атомов, мы все же детектируем мельчайшее копошение этих частиц. Не существует такого понятия, как настоящая пустота, где нет совершенно ничего. Как спокойнейшее море, если внимательно приглядеться, колышется и дрожит, пусть и слегка, так и поля, формирующие мир, подвергаются мельчайшим колебаниям, и элементарные частицы можно представить себе словно бы имеющими скоротечную жизнь – они будто бы непрерывно созидаются и разрушаются этими движениями.

Таков мир, описываемый квантовой механикой и теорией элементарных частиц. Мы ушли очень далеко от механистического мира Ньютона и Лапласа, где мелкие холодные камешки бесконечно путешествовали по длинным точным траекториям в геометрически неизменном пространстве. Квантовая механика и эксперименты с частицами научили нас тому, что мир – непрерывное, неустанное мельтешение объектов, постоянное возникновение и исчезновение эфемерных сущностей. Совокупность колебаний, как в мире накурившегося хиппи 1960-х. Мир событий, не объектов.

В деталях теория элементарных частиц выстраивалась постепенно в 1950-х, 1960-х и 1970-х годах некоторыми из величайших физиков века, в частности Ричардом Фейнманом и Мюрреем Гелл-Манном. Эта созидательная работа породила замысловатую теорию, основанную на квантовой механике и носящую не очень романтичное название «Стандартная модель элементарных частиц». Стандартная модель была полностью доработана в 1970-х годах, после длительной серии экспериментов, подтвердившей все предсказания. Окончательно она подтвердилась в 2012 году – с открытием бозона Хиггса.

Однако, несмотря на длительную серию успешных экспериментов, физики никогда не принимали Стандартную модель совсем уж всерьез. Эта теория выглядит, по крайней мере на первый взгляд, слепленной из разрозненных частей. Она составлена из различных кусочков и уравнений, собранных вместе без какого-либо явного порядка. Определенное число полей (но почему именно эти?), взаимодействующих между собой определенными силами (но почему этими силами?), каждая из которых задается определенными константами (но почему конкретно эти значения?), и демонстрирующих определенные виды симметрии (но, опять же, почему эти?). Тут мы далеки от простоты уравнений общей теории относительности и квантовой механики.

Сам способ, которым с помощью уравнений Стандартной модели делают предсказания о мире, тоже безумно изощрен. Если эти уравнения использовать напрямую, они ведут к нелепым предсказаниям, когда всякая вычисляемая количественная характеристика оказывается бесконечно большой. Чтобы получить осмысленные результаты, необходимо задать бесконечно большими сами параметры, входящие в уравнения, – чтобы уравновесить абсурдные результаты и сделать их разумными. Этот замысловатый прием носит техническое название «ренормализация». На практике он работает, но оставляет горький привкус во рту любого, кто ищет простоты в природе. В последние годы жизни величайший ученый XX века после Эйнштейна, Поль Дирак, один из создателей квантовой механики и автор первых и главных уравнений Стандартной модели, неоднократно выражал свое недовольство таким положением вещей, заключая, что проблема еще не решена.

Вдобавок в последнее время выявилось неожиданное ограничение Стандартной модели. Вокруг каждой галактики астрономы наблюдают большое облако вещества, которое обнаруживает свое существование гравитационным притяжением, действующим на звезды, и тем, как оно преломляет свет. Но это огромное облако, гравитационное влияние которого мы наблюдаем, нельзя увидеть непосредственно, и мы не знаем, из чего оно состоит. Были выдвинуты многочисленные гипотезы, ни одна из которых, по-видимому, не работает. Очевидно, что там что-то есть, но мы не знаем, что именно. Сегодня это называют «темной материей». Имеются доказательства, что это нечто, не описываемое Стандартной моделью, иначе мы бы его увидели. Нечто отличное от атомов, нейтрино или фотонов…

Неудивительно, что есть многое на свете, друг читатель, что и не снилось нашим мудрецам – или нашим физикам. До недавнего времени мы даже не подозревали о существовании радиоволн и нейтрино, пронизывающих Вселенную. Стандартная модель – по-прежнему лучшее, что у нас есть для мира объектов. Ее предсказания все подтвердились, и, не считая темной материи – и гравитации, рассматриваемой в общей теории относительности как искривление пространства-времени, – Стандартная модель хорошо описывает каждый аспект воспринимаемого мира.

Альтернативные теории предлагались, но только лишь для того, чтобы оказаться экспериментально опровергнутыми. Например, неплохая теория, сформулированная в 1970-х годах и названная техническим именем SU(5), заменила беспорядочные уравнения Стандартной модели структурой поэлегантнее и гораздо более простой. Теория предсказывала, что протон может распадаться, с некоторой вероятностью, превращаясь в электроны и кварки. Чтобы пронаблюдать, как протоны распадаются, соорудили большие машины. Физики посвящали свои жизни попытке наблюдать распад протона. (Зараз вы смотрите не на один протон, поскольку его распад занимает слишком много времени. Вы берете тонны воды и окружаете ее чувствительными детекторами, чтобы зарегистрировать эффекты от распада.) Но, как это ни прискорбно, ни один протон так и не увидели распадающимся. Красивая теория SU(5), несмотря на все свое изящество, не подтвердилась.

Возможно, сейчас та же история повторяется с группой теорий, известных как «суперсимметричные», которые предсказывают существование нового класса частиц. Всю свою карьеру я слушал коллег, уверенно ожидающих неизбежного появления этих частиц. Минули дни, месяцы, годы и десятки лет – однако суперсимметричные частицы до сих пор себя не проявили. Физика – это не только история успехов.

Итак, пока мы вынуждены довольствоваться Стандартной моделью. Может, она не очень-то изящна, однако, описывая мир вокруг нас, работает прекрасно. И кто знает – возможно, при более тщательном изучении окажется, что это не модели не хватает элегантности. Что, если это мы еще не научились смотреть на нее под правильным углом, таким, под которым обнаружится ее скрытая простота?

Итак, на данный момент мы знаем о материи следующее: это горсточка типов элементарных частиц, которые непрерывно колеблются между существованием и несуществованием, мельтешат в пространстве, даже когда кажется, что оно пусто, и объединяются вместе в бесконечность, как буквы космического алфавита, рассказывая грандиозную историю галактик, неисчислимых звезд, солнечного света, гор, лесов и нив, улыбающихся молодых лиц на вечеринках и ночного неба, усыпанного звездами.

Этюд пятый
Песчинки пространства

Несмотря на определенные неясности, неточности и все еще не разрешенные вопросы, физика, которую я обрисовал, обеспечивает лучшее описание мира, чем мы когда-либо имели в прошлом. Так что мы должны были бы чувствовать себя вполне удовлетворенными. Но увы.

В самой основе нашего понимания физического мира есть парадокс. XX век подарил нам две жемчужины, о которых я говорил: общую теорию относительности и квантовую механику. Из первой развились космология, астрофизика, исследование гравитационных волн, черных дыр и много чего еще. Вторая легла в основу атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц, физики конденсированного состояния вещества и многого-многого другого. Две теории, такие щедрые на приложения, краеугольный камень современных технологий, изменивших нашу жизнь. И все же обе теории не могут быть верны одновременно, по крайней мере в своих современных формулировках, поскольку они противоречат друг другу.

Студента университета, посещающего лекции по общей теории относительности по утрам, а по квантовой механике по вечерам и заключившего, что его профессора или дураки, или пренебрегали общением друг с другом по меньшей мере сто лет, следует простить. Утром мир – искривленное пространство, где все непрерывно, а вечером – плоское пространство, где скачут кванты энергии.

Парадокс в том, что обе теории работают удивительно хорошо. Природа ведет себя с нами, как тот пожилой раввин, к которому пришли двое мужчин разрешить свой спор. Выслушав первого, раввин говорит ему: «Ты прав». Второй настаивает на том, чтобы его тоже выслушали, раввин выслушивает и говорит: «И ты прав». Из соседней комнаты раввину кричит его жена: «Но не могут же они оба быть правы!» Он задумывается, а потом кивает: «И ты тоже права».

Группа физиков-теоретиков, рассеянная по пяти континентам, старательно пытается решить эту проблему. Область их исследований называется квантовой гравитацией. Их цель – найти теорию, то есть набор уравнений (но прежде всего – внутренне непротиворечивое видение мира), с помощью которой удалось бы разрешить сегодняшнюю шизофрению.

Физика не впервые сталкивается с двумя в высшей степени успешными, но очевидно противоречивыми теориями. Усилия по объединению, прикладывавшиеся в прошлом, были вознаграждены колоссальным шагом вперед в нашем понимании мира. Ньютон открыл всемирное тяготение, связав параболы Галилея с эллипсами Кеплера. Максвелл написал уравнения электромагнетизма, совместив электрическую и магнитную теории. Эйнштейн сформулировал теорию относительности, стремясь разрешить очевидное противоречие между электромагнетизмом и механикой. На самом деле физик счастлив, когда находит подобное противоречие между успешными теориями: это уникальный шанс. Сможем ли мы построить концептуальный каркас для размышлений о мире, который согласовывался бы с тем, что мы уже узнали благодаря обеим теориям?

Здесь, за границей знания, на переднем крае, наука становится еще красивее – раскаленная в горниле зарождающихся идей, прозрений, дерзаний. Путей выбранных и позже оставленных, увлеченности. В стремлении представить то, чего прежде еще никто не мог вообразить.

Двадцать лет назад туман был плотным. Сегодня сквозь него проступили очертания, внушившие воодушевление и оптимизм. Наметившихся направлений для поиска несколько, так что нельзя сказать, что проблема решена. Разнообразие рождает споры, но полемика приносит пользу: пока туман окончательно не рассеется, хорошо иметь критические замечания и противоположные точки зрения. Одна из главных попыток разрешить проблему – направление исследований под названием «петлевая квантовая гравитация», развиваемое большой командой ученых, которые работают во многих странах.

Петлевая квантовая гравитация – это дерзновение объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. Однако это попытка осторожная, поскольку используются только гипотезы, уже содержащиеся в этих теориях, – переписанные соответственным образом, чтобы сделать их совместимыми. Но ее следствия радикальны: дальнейшее глубокое преобразование того, как мы смотрим на структуру реальности.

Идея проста. С одной стороны, общая теория относительности научила нас тому, что пространство – не статичная коробка, а скорее нечто динамичное: своего рода необъятная гибкая раковина улитки, в которую мы заключены и которая способна сжиматься и изгибаться. С другой стороны, квантовая механика научила нас тому, что каждое поле состоит из квантов и имеет мелкозернистую структуру. Отсюда немедленно следует, что физическое пространство также сделано из квантов.

И действительно, важнейший результат петлевой квантовой гравитации в том, что пространство не непрерывно, не бесконечно делимо, а составлено из песчинок – «атомов пространства». Они чрезвычайно мелки: в миллиард миллиардов раз меньше самого маленького атомного ядра. Теория описывает эти «атомы пространства» в математической форме и предлагает определяющие их эволюцию уравнения. Песчинки пространства назвали «петлями», или кольцами, поскольку они соединяются друг с другом, формируя сеть связей, из которых соткана текстура пространства, – словно кольца искусно сплетенной необозримой кольчуги.

Где эти кванты пространства? Нигде. Они не где-то в пространстве, поскольку они сами и есть пространство. Пространство создано сцеплением этих отдельных квантов гравитации. Опять-таки представляется, что мир – больше не об объектах, а о взаимодействиях.

Однако самое поразительное следствие теории – второе. Подобно тому как исчезает понятие непрерывного пространства, содержащего в себе объекты, пропадает также и понятие базового и первичного «времени», которое течет независимо от объектов. Уравнения, описывающие песчинки пространства и материи, больше не содержат временно́й переменной. Это не означает, что все стационарно и неизменно. Напротив, это значит, что изменение вездесуще – но элементарные процессы не могут упорядочиваться в привычную последовательность «моментов». На мельчайшем уровне песчинок пространства танец природы не происходит в ритме взмахов палочки единственного дирижера оркестра, в едином темпе: каждый процесс танцует независимо от своих соседей, в своем собственном ритме. Ход времени – «встроенное» свойство мира, оно зарождается в нем самом во взаимоотношениях между квантовыми событиями, составляющими мир, которые сами и есть источник времени.

Стало быть, мир, описываемый этой теорией, еще дальше отодвигается от привычного нам. Нет больше пространства, «заключающего в себе» мир, и нет больше времени, «в котором» происходят события. Есть лишь элементарные процессы, в которых кванты пространства и материи беспрестанно взаимодействуют друг с другом. Иллюзия пространства и времени, сохраняющаяся вокруг нас, – размытое восприятие этого мельтешения элементарных процессов, точно так же, как спокойное, чистое альпийское озеро на самом деле создается вихрем мириадов крохотных молекул воды.

Разглядывая при колоссальном увеличении с помощью ультрамощной лупы предпоследнюю нашу картинку, в свете этой главы мы увидели бы зернистость пространства:

 

Возможно ли проверить эту теорию экспериментально? Мы ломаем над этим головы и пробуем, но пока экспериментального подтверждения нет. Тем не менее придумано несколько разных подходов.

Один из них вытекает из исследования черных дыр. В небесах мы теперь можем наблюдать черные дыры, сформировавшиеся при схлопывании звезд. Сжатое под собственным весом, вещество таких звезд коллапсировало и исчезло с наших глаз. Но куда оно делось? Если теория петлевой квантовой гравитации верна, вещество не может действительно коллапсировать в бесконечно малую точку, поскольку бесконечно малых точек не существует – только конечные крупинки пространства. Коллапсируя под собственным весом, вещество должно было становиться все более и более плотным до тех пор, пока квантовая механика не создала бы встречный, уравновешивающий напор.

Эта предполагаемая конечная стадия жизни звезды, когда квантовые флуктуации пространства-времени уравновешивают вес вещества, известна как «планковская звезда». Если бы Солнце перестало гореть и превратилось в черную дыру, та была бы около полутора километров в диаметре. Внутри этой черной дыры вещество Солнца продолжило бы сжиматься – и в конце концов превратилось бы в такую планковскую звезду. Ее размеры были бы близки к размерам атома. Все вещество Солнца, спрессованное в объем атома: для планковской звезды характерно такое экстремальное состояние материи.

Планковская звезда нестабильна: чуть только она максимально сжимается, ее отбрасывает назад – она начинает снова расширяться. Это ведет к взрыву черной дыры. Воображаемому наблюдателю, сидящему внутри черной дыры на планковской звезде, этот процесс виделся бы отскоком назад, происходящим с огромной скоростью. Но для этого наблюдателя время течет не так же, как для всех снаружи черной дыры, – по той же причине, по которой в горах время течет быстрее, чем на уровне моря. За исключением того, что из-за экстремальных условий разница в ходе времени колоссальна: то, что наблюдателю на планковской звезде будет казаться неимоверно быстрым, снаружи будет выглядеть происходящим очень-очень долго. Вот почему мы наблюдаем черные дыры неизменными в течение долгого времени: черная дыра – это расширяющаяся звезда, видимая в крайне замедленном действии.

Возможно, в горниле первых мгновений Вселенной сформировались черные дыры – и теперь некоторые из них взрываются. Если это так, мы, вероятно, смогли бы обнаружить сигналы, испускаемые ими при расширении, – космические лучи высокой интенсивности, приходящие с неба, а значит, позволяющие нам наблюдать и измерять прямой эффект от явления, управляемого квантовой гравитацией. Идея смелая – она, может, и не сработает, если, например, в первозданной Вселенной сформировалось недостаточно черных дыр, чтобы мы сегодня сумели зарегистрировать их расширение. Однако поиск сигналов начался. Посмотрим.

Другое следствие теории, причем одно из самых впечатляющих, касается происхождения Вселенной. Мы знаем, как восстановить историю нашего мира до начального этапа, когда он был крошечных размеров. Но что было до того? Уравнения петлевой теории позволяют нам пойти еще дальше в воссоздании этой истории.

Мы обнаружили, что, когда вселенная предельно сжата, квантовая теория порождает отталкивающую силу, а значит, мощный взрыв – Большой взрыв – мог быть на самом деле Большим отскоком. Не исключено, что наш мир в действительности возник из предшествующей вселенной, которая сжималась под своим собственным весом, пока не втиснулась в крохотный объем, а затем «отскочила» назад и начала расширяться обратно, таким образом став расширяющейся вселенной, которую мы и наблюдаем вокруг себя.

Момент этого отскока, когда вселенная поместилась бы в ореховую скорлупу, – настоящее царство квантовой гравитации: время и пространство начисто исчезли, и мир растекся в мельтешащее облако вероятностей, которое уравнения тем не менее все еще способны описывать. Последняя картинка третьей главы преображается так:

 

 

Итак, наша Вселенная, возможно, родилась при отскоке из предыдущей фазы, пройдя через промежуточную – когда не было ни пространства, ни времени.

Физика распахивает окна, через которые мы смотрим в дальнюю даль. То, что мы видим, не перестает нас изумлять. Мы понимаем, что полны предубеждений и что наше интуитивное видение мира неполное, ограниченное, неправильное. Земля не плоская, не неподвижная. Мир продолжает меняться на наших глазах, по мере того как мы всматриваемся в него – и постепенно начинаем видеть его все четче и все в больших подробностях. Если сложить то, что мы узнали о физическом мире в XX столетии, станет ясно, что все подсказки указывают на нечто в корне отличное от нашего интуитивного понимания материи, пространства и времени. Петлевая квантовая гравитация – попытка разгадать эти подсказки и заглянуть еще чуть дальше.

Этюд шестой
Вероятность, время и теплота черных дыр

Наряду с важнейшими теориями, о которых я уже говорил и которые описывают базовые составляющие мира, есть другой внушительный бастион физики, несколько отличающийся от остальных. К его воздвижению неожиданно привел единственный вопрос: что такое теплота?

До середины XIX века физики пытались истолковать теплоту, мысля ее своего рода жидкостью, называемой «теплород», или двумя жидкостями, одной горячей и одной холодной. Это представление оказалось неверным. В конце концов Джеймс Максвелл и австрийский физик Людвиг Больцман все поняли. И то, что они поняли, очень красиво, странно и значительно – и переносит нас в области, до сих пор во многом не исследованные.

Они начали понимать, что горячее вещество – не то, которое содержит теплород. Горячее вещество – то, в котором быстрее движутся атомы. Атомы и молекулы – небольшие скопления атомов, связанных между собой, – всегда в движении. Они носятся, колеблются, отскакивают и так далее. Холодный воздух – тот, в котором атомы, а точнее молекулы, движутся медленнее. Горячий – тот, в котором молекулы движутся быстрее. Изумительно просто. Но это не все.

Теплота, как мы знаем, всегда передается от горячих объектов холодным. Холодная чайная ложка, помещенная в чашку горячего чая, тоже становится горячей. Если мы неподобающе оденемся в морозный день, то быстро потеряем тепло своего тела и замерзнем. Почему же теплота переходит от горячих объектов к холодным, но не наоборот?

Это важнейший вопрос, поскольку он имеет отношение к природе времени. В каждом случае, когда теплообмен не происходит или когда он пренебрежимо мал, мы видим, что будущее ведет себя точно так же, как прошлое. Например, для движения планет Солнечной системы теплота практически не имеет значения, и, собственно, это самое движение могло бы с таким же успехом происходить в обратную сторону, не нарушая ни единого закона физики. Но как только появляется теплота, будущее начинает отличаться от прошлого. Скажем, в отсутствие трения маятник может качаться бесконечно долго. Если бы мы засняли это на видео и проиграли его в обратном направлении, то увидели бы абсолютно правдоподобное движение. Но если есть трение, маятник понемногу нагревает свою опору, теряет энергию и замедляется. Трение производит тепло. И мы немедленно оказываемся способны отличить будущее (в котором маятник все больше замедляется) от прошлого. Никто никогда не видел, чтобы маятник стал раскачиваться из состояния покоя, начав движение за счет энергии, полученной поглощением тепла от опоры. Разница между прошлым и будущим существует, только когда есть теплота. Принципиальное явление, отличающее будущее от прошлого, – это переход тепла от более горячего к более холодному.

Итак, еще раз: почему с течением времени тепло передается от горячих объектов к холодным, а не в противоположном направлении?

Причину открыл Больцман, и она удивительно проста: это чистая случайность.

Идея Больцмана элегантна и задействует понятие вероятности. Тепло переходит от горячих предметов к холодным не по непреложному закону, а просто с большой вероятностью. Поскольку статистически более вероятно, что быстро движущийся атом горячего вещества столкнется с атомом холодного и оставит ему немного своей энергии, чем наоборот. Энергия сохраняется при столкновениях, но стремится распределиться в более или менее равных долях, когда столкновений много. В результате температура объектов, находящихся в контакте друг с другом, имеет свойство сравниваться. Это не невозможно, чтобы горячее тело стало еще горячее в соприкосновении с более холодным, а просто крайне маловероятно.

Такое введение вероятности в самое сердце физики и использование этого понятия, чтобы объяснить основы динамики тепла, поначалу сочли нелепыми. Никто не воспринял Больцмана всерьез, как это часто случается. Пятого сентября 1906 года в Дуино близ Триеста он покончил с собой: повесился, так и не увидев, как обоснованность его идей получила в дальнейшем всеобщее признание.

Во второй главе я говорил о том, как квантовая механика предсказывает, что движение всякого мельчайшего объекта определяется случайностью. Это также пускает в ход вероятность. Однако вероятность, рассматривавшаяся Больцманом, вероятность в основе теплоты, имеет иную природу и не зависит от квантовой механики. Вероятность, задействованная в науке о теплоте, в определенном смысле связана с нашим неведением.

Если я не знаю чего-то наверняка, то все-таки могу приписать этому событию меньшую или большую вероятность. Например, я не знаю, будет ли завтра здесь, в Марселе, дождливо, или солнечно, или снежно, но вероятность того, что здесь завтра пойдет снег – в Марселе в августе, – мала. То же относится и к большинству физических объектов: об их состоянии мы знаем кое-что, но не все и можем лишь делать предсказания, основанные на вероятности. Представьте себе шарик, наполненный воздухом. Я могу измерить его: определить его форму, объем, давление в нем, температуру… Но молекулы воздуха внутри шара быстро-быстро движутся, и я не знаю точного положения каждой – что не позволяет мне точно предсказать, как шар будет вести себя. Например, если я развяжу узел на его веревочке и отпущу шар, он начнет шумно сдуваться, мечась и то тут, то там натыкаясь на окружающие предметы таким образом, который я никак не сумел бы предсказать. Для меня было бы невозможно это предсказать, поскольку я знаю только форму шара, объем, давление и температуру. Столкновения с предметами тут и там зависят от точного положения молекул внутри шара, которое мне неведомо. Впрочем, даже если я не в силах предсказать все точно, я могу предсказать вероятность того, что произойдет то или иное событие. Крайне маловероятно, что шар, скажем, вылетит в окно, обогнет маяк вдалеке, а затем вернется и приземлится на моей ладони, в том же самом месте, где я его отпустил. Некоторое поведение более вероятно, другое более невероятно.

В этом же смысле может быть вычислена вероятность того, что при столкновениях молекул тепло перейдет от более горячих тел к более холодным, и она окажется значительно выше, чем вероятность того, что тепло перейдет, наоборот, к более горячим телам.

Раздел науки, в котором проясняются подобные вещи, называется статистической физикой, и одним из ее триумфов, начавшихся с Больцмана, стало понимание вероятностной природы теплоты и температуры, иными словами, термодинамики.

На первый взгляд предположение, будто наше неведение позволяет нам понять что-то о поведении мира, кажется нелогичным: холодная чайная ложка нагревается в горячем чае, а воздушный шар летает вокруг, когда его отпустишь, независимо от того, что я знаю или не знаю. Какое отношение наше знание или незнание имеют к законам, управляющим миром? Вопрос справедливый. А ответ на него – хитрый.

Чайная ложка и воздушный шар ведут себя так, как и должны, подчиняясь законам физики, совершенно независимо от того, что мы знаем или не знаем о них. Предсказуемость или непредсказуемость их поведения не связана с их точным состоянием, она связана с ограниченным набором их свойств, с которым мы имеем дело. Этот набор свойств зависит от нашего определенного способа взаимодействовать с чайной ложкой или с воздушным шаром. Вероятность не имеет отношения к изменению вещества как таковому. Она имеет отношение к изменению тех конкретных величин, с которыми мы взаимодействуем. И снова дает о себе знать глубоко относительная природа понятий, используемых нами, чтобы организовывать мир.

Холодная чайная ложка нагревается в горячем чае, поскольку чай и ложка взаимодействуют с нами через ограниченное число показателей – из бесчисленных показателей, характеризующих их микросостояние. Полезности этих показателей недостаточно для того, чтобы предсказать будущее поведение точно (понаблюдайте за воздушным шаром), но достаточно, чтобы предсказать с оптимальным уровнем надежности, что ложка нагреется.

Надеюсь, я не отпугнул читателя своими рассуждениями об этих тонких различиях…

На протяжении XX века термодинамика (то есть наука о теплоте) и статистическая механика (наука о вероятностях различного поведения) распространились на электромагнитные и квантовые явления. А вот включить туда и гравитационное поле оказалось проблематично. Как ведет себя гравитационное поле, когда нагревается, – все еще не решенный вопрос.

Мы понимаем, что происходит с нагретым электромагнитным полем: в духовке, например, горячее электромагнитное излучение печет пирог, и мы знаем, как это описать. Электромагнитные волны колеблются, беспорядочно делясь энергией, и мы можем себе их представить как газ фотонов, движущихся, словно молекулы в нагретом воздушном шаре. Но что такое горячее гравитационное поле?

Гравитационное поле, как мы увидели в первой главе, есть само пространство, а точнее, пространство-время. Значит, когда тепло передается гравитационному полю, пространство и время сами должны колебаться… Однако мы до сих пор не знаем, как это правильно описать. У нас нет уравнений, чтобы описать тепловые колебания горячего пространства-времени. Что такое колеблющееся время?

Подобные вопросы ведут нас к сути проблемы времени: что именно есть течение времени?

Эта проблема присутствовала уже в классической физике, в XIX и XX веках к ней привлекли внимание философы – однако в современной физике она стала гораздо более острой. Физика описывает мир с помощью формул, которые задают изменение объектов как функцию «времени». Но мы можем написать формулу, объясняющую, как меняются объекты в зависимости от своего «положения» или как вкус ризотто меняется в зависимости от «количества масла». Время, как нам кажется, «течет», а вот количество масла или положение в пространстве не «текут». Откуда берется это отличие?

Другой способ сформулировать проблему – спросить себя: что есть «настоящее»? Мы говорим, что существуют только объекты настоящего: прошлое уже не существует, а будущее – еще. Но в физике нет ничего, что соответствовало бы понятию «сейчас». Сравните «сейчас» и «здесь». «Здесь» определяет место, где находится говорящий: для двух разных людей «здесь» указывает на два разных места. Таким образом, «здесь» – это слово, значение которого зависит от того, где оно произнесено. Специальное название такого рода высказываний – «индексал». «Сейчас» тоже указывает на момент, когда произнесено это слово, и также классифицируется как индексал. Однако никому не придет в голову утверждать, что объекты «здесь» существуют, тогда как объекты, которые не «здесь», не существуют. Так почему же мы говорим, что объекты «сейчас» существуют, а все остальные нет? Настоящее – это что-то объективное в мире, что «течет» и делает объекты существующими одни за другими, или оно лишь субъективно, как «здесь»?

Это может показаться малопонятным умствовани