Брайан ГринТкань космосаПространство, время и текстура реальности
Предисловие
Пространство и время будоражат воображение учёных как никакие другие идеи в науке. Причина понятна. Они образуют арену реальности, формируют самую ткань космоса. Само наше существование — всё, что мы делаем, думаем и чувствуем — происходит в некоторой области пространства и в течение некоторого интервала времени. Однако наука до сих пор пытается понять, что на самом деле представляют собой пространство и время. Являются ли они реальными физическими сущностями или лишь полезными идеями? Если они реальны, то фундаментальны ли они или же возникают из более первичных конституэнтов? Что означает для пространства быть пустым? Есть ли начало у времени? Есть ли у времени стрела, неумолимо направленная из прошлого в будущее, как подсказывает повседневный опыт? Можем ли мы влиять на пространство и время? В этой книге мы проследим трёхсотлетние попытки пылкой научной мысли дать ответы (или намёки на ответы) на эти фундаментальные и глубокие вопросы о природе мироздания.
В нашем путешествии мы неоднократно столкнёмся и с другим вопросом, одновременно и всеобъемлющим, и ускользающим: что есть реальность? Мы, человеческие существа, имеем доступ только к нашему внутреннему опыту ощущений и мысли, поэтому как мы можем быть уверены, что они истинно отражают внешний мир? Философы уже давно осознали эту проблему. Режиссёры популяризуют эту тему с помощью сюжетов, наполненных вымышленными мирами, порождёнными изысканными нейрологическими симуляциями, которые существуют только в умах их героев. А физики, к которым отношусь и я, остро чувствуют, что видимая реальность — материя, эволюционирующая на фоне пространства и времени, — может оказаться совсем непохожей на ту, другую реальность, лежащую за пределами видимого (если она существует). Однако, поскольку наблюдения — это всё, что у нас есть, мы принимаем их всерьёз. Вместо неограниченного воображения или необузданного скептицизма мы выбираем в качестве проводника надёжные данные и математику и ищем наиболее простые, однако самые многообещающие теории, способные объяснить и предсказать результаты современных и будущих экспериментов. Это сильно ограничивает искомые теории. (Например, в этой книге вы не найдёте и намёков на то, что я плаваю в баке с водой, подключённый проводами к тысяче мозговых стимуляторов, которые заставляют меня просто думать, что я сейчас пишу этот текст.) Но за последние сто лет открытия в физике заставляют нас пересмотреть обыденное отношение к реальности, и это так ошеломляет, захватывает и потрясает все устои, как самая невероятная научная фантастика. Об этой революции идей и пойдёт речь на страницах этой книги.
Многие из исследуемых вопросов суть те же самые, что на протяжении веков являлись в разных ипостасях и заставляли напрягаться умы Аристотеля, Галилея, Ньютона, Эйнштейна и многих других. И поскольку в этой книге мы описываем науку в становлении, мы прослеживаем эти вопросы так, как они были поставлены одним поколением, ниспровергнуты их последователями и уточнены и переосмыслены учёными последующих поколений.
Например, при ответе на нетривиальный вопрос — является ли абсолютно пустое пространство, как чистое полотно, реальной сущностью или просто отвлечённой идеей? — мы следуем за маятником научной мысли: Исаак Ньютон в XVII в. утверждал, что пространство реально; потом маятник качнулся вспять, и Эрнст Мах сказал, что нет, не реально; а в XX в. Эйнштейн ошеломляюще переформулировал саму суть вопроса, слив воедино пространство и время, в значительной мере опровергнув Маха. Затем мы следуем за новыми открытиями, которые снова переиначивают вопрос, переопределяя понятие «пустоты», говоря, что пространство неизбежно заполнено так называемыми квантованными полями и, возможно, однородно распределённой энергией, называемой космологической постоянной, — современным отголоском старого и дискредитированного понятия «эфир», который заполняет всё пространство. А затем мы расскажем читателю, как грядущие космические эксперименты могут подтвердить некоторые выводы Маха, которые согласуются с общей теорией относительности Эйнштейна, являя собой захватывающий образец запутанной паутины научного исследования.
В наши дни мы находим обнадёживающие результаты инфляционной космологии относительно понимания стрелы времени; богатый выбор предложений дополнительных измерений в теории струн; поразительное предположение М-теории о том, что наша Вселенная — всего лишь щепка, плавающая в более масштабном космосе; широко обсуждаемую идею о том, что наблюдаемая нами Вселенная может оказаться лишь голограммой. Мы пока не знаем, справедливы ли наши последние научные теории. Но как бы дико они не звучали, мы относимся к ним серьёзно, ибо именно сюда нас привёл непрерывный и непреклонный поиск глубинных законов природы. Непонятная и необычная реальность ждёт нас не только на изобильной стезе научной фантастики. Она рождается на острие современных открытий физической науки.
Книга «Ткань космоса» предназначена в основном для широкого круга читателей, не имеющих особой научной подготовки, но обладающих стремлением понять устройство мироздания, что поможет им преодолеть трудности на пути понимания сложных и нетривиальных концепций. Как и в моей первой книге «Элегантная Вселенная», я старался придерживаться сути научных идей, опуская математические описания и заменяя их метафорами, аналогиями, рассказами и иллюстрациями. Когда мы подходим к самым сложным разделам, я предупреждаю об этом читателя и предлагаю короткую аннотацию для тех, кто решит только пролистать эти сложные места или вообще их опустить. Таким образом, читатель сможет пройти путём открытий и получить не только набор знаний о последних идеях в физике, но и понимание того, как и почему та или иная идея получила право на жизнь.
Студенты, просто любители науки, учителя и учёные-профессионалы также почерпнут много интересного из этой книги. Хотя в начальных главах обсуждаются необходимые, но стандартные основополагающие вопросы из теории относительности и квантовой механики, довольно необычным будет акцент на реальности понятий пространства и времени. В следующих главах речь идёт о разном — теореме Белла, экспериментах с задержанным выбором, квантовых измерениях, ускоренном расширении Вселенной, возможности получения чёрных дыр на ускорителях следующего поколения, создании удивительной машины времени, основанной на идее кротовых нор. Это лишь некоторые из обсуждаемых идей, которые познакомят читателя с самыми захватывающими и обсуждаемыми сейчас научными достижениями.
Некоторая часть излагаемого материала является спорной. Если идея ещё висит в воздухе и по поводу неё нет общепринятого мнения, я излагаю в основном тексте взгляды, считающиеся доминирующими в научном мире. По спорным вопросам в приложения вынесены различные точки зрения, для которых, как мне кажется, консенсус достигается в наибольшей степени. Некоторые учёные, особенно те, идеи которых разделяет меньшинство, будут возражать против моих суждений, но я старался нарисовать сбалансированную картину. В приложениях особо усердный читатель найдёт более полные объяснения и предостережения относительно вопросов, которые я упростил, а также (для желающих) краткие математические дополнения к бесформульному описанию в основном тексте. Краткий глоссарий даёт пояснение к некоторым специальным научным терминам.
Даже книга такого объёма не может охватить столь фундаментальные и всеобъемлющие понятия, как пространство и время. Я сосредоточил внимание на тех идеях, которые являются одновременно и увлекательными, и важными для формирования полной картины реальности, создаваемой современной наукой. Конечно, выбор материала отражает мои личные вкусы, и я приношу извинения тем, кто считает, что их личный вклад или область их интересов не нашли должного отражения в книге.
При написании «Ткани космоса» я был счастлив чувствовать обратную связь с читателями. Это было важно для меня. Рафаэль Каспер, Любос Мотл, Дэвид Стейнхардт и Кен Винберг прочли разные варианты рукописи, некоторые неоднократно, и сделали много детальных замечаний, которые значительно улучшили ясность и точность изложения. Я им сердечно благодарен. Дэвид Альберт, Тэд Балц, Николас Болс, Трэси Дэй, Петер Демчук, Ричард Истер, Анна Холл, Кейт Голдсмит, Шели Голдстейн, Майкл Гордин, Джошуа Грин, Артур Гринспун, Гэвин Герра, Сандра Кауфман, Эдвард Кастенмейер, Роберт Крулвич, Андрей Линде, Шани Оффен, Малик Парик, Майкл Поповиц, Марлен Скалли, Джон Стахель и Ларс Стретер прочитали рукопись всю или частично и сделали ряд полезных замечаний. Андреас Альбрехт, Майкл Бассет, Сен Кэррол, Адрея Кросс, Рита Грин, Алан Гут, Марк Джексон, Дэниель Кабат, Уилл Кинни, Джастин Хури, Хиранья Пейрис, Сол Перлмуттер, Конрад Шалм, Пол Стейнхардт, Леонард Сасскинд, Нил Тьюрок, Генри Тай, Уильям Вормус и Эрик Вайнберг подарили мне радость совместного обсуждения. Я особо признателен Рафаэлю Ганнеру, чьё особое искусство настоящей дискуссии и чей настрой критиковать мои наброски оказались неоценимы. Эрик Мартинес был незаменим на производственной стадии работы над книгой, а Джейсон Сиверс был великолепен при создании иллюстраций. Я благодарен моим литературным агентам Катинке Мэтсон и Джону Брокману. И я глубоко признателен моему издателю Марти Ашеру за неиссякаемую поддержку, советы и глубокое понимание, что значительно улучшило качество представления материала.
Мои научные исследования были поддержаны Департаментом энергии, Национальным научным фондом и Фондом Альфреда П. Слоана. Я выражаю им свою искреннюю благодарность.
Часть I. Арена реальности
Глава 1. Пути к реальностиПространство, время и почему всё таково, каково оно есть
Ни одна из книг в старом и пыльном отцовском шкафу не была под замком. Однако пока я рос, я никогда не видел, чтобы кто-нибудь вынимал их оттуда. В основном там были увесистые тома — полная история цивилизации, величайшие произведения западной литературы и другие не менее «весомые» книги, которых я уже не помню — казалось, что они буквально вдавились в полки, немного прогнувшиеся за десятилетия поддержки бесценного груза. А на самой верхней полке стояла тоненькая книжечка, всегда приковывающая мой взгляд, потому что казалась не на своём месте, как Гулливер в стране великанов. Оглядываясь назад, я даже не понимаю, почему прошло так много времени, прежде чем я взял в руки эту книгу. Возможно, с течением времени книги из отцовского шкафа всё больше казались не материалом для чтения, а семейной реликвией, которой любуются издалека. Однако подростковая дерзость одержала верх. Я достал книжечку, сдул с неё пыль и открыл на первой странице. Первые строчки поразили меня.
«Есть лишь одна по-настоящему серьёзная философская проблема — проблема самоубийства», — так начиналась книга. Я вздрогнул. «Имеет ли мир три измерения, руководствуется ли разум девятью или двенадцатью категориями, — шло дальше, — всё это вторично». В тексте разъяснялось, что подобные вопросы являются частью игры, в которую играет человечество, и они заслуживают внимания лишь после того, как найден ответ на первый вопрос. Это было эссе «Миф о Сизифе», написанное философом и нобелевским лауреатом Альбертом Камю. После небольшого шока смысл его слов дошёл до меня. Да, конечно, — подумал я. — Можно размышлять над чем угодно или анализировать что угодно хоть целую вечность, но настоящий вопрос состоит в том, убедят ли вас ваши размышления в том, что жизнь стоит того, чтобы её прожить. Вот к чему всё сводится. Всё остальное — детали.
Наверное, я наткнулся на книгу Камю в особенно впечатлительный период, потому что его слова врезались в мою память более чем что-либо, когда-нибудь мной прочитанное. Снова и снова думал я над тем, как разные люди — которых я встречал, или о которых слышал, или которых видел по телевизору — ответили бы на этот главнейший вопрос. Хотя, оглядываясь назад, я должен признать, что второе его утверждение — касающееся роли научного прогресса — в конце концов захватило меня больше. Камю признавал ценность понимания структуры Вселенной, но, как я уже сказал, он отвергал возможность того, что такое понимание может быть сколь-нибудь значимо в отношении ценности жизни. Конечно, моё подростковое чтение философии экзистенциализма было примерно столь же искушённым, как чтение Бартом Симпсоном[1] поэзии романтизма. Пусть даже и так, однако вывод Камю совершенно поразил меня. Увлекающемуся начинающему физику, каким я был, казалось, что для обоснованной оценки жизни обязательно требуется полное понимание арены жизни — Вселенной. Помнится, я подумал, что если бы наш человеческий вид жил глубоко под землёй и ещё должен был бы открыть земную поверхность, сияющее солнце, морской бриз и далёкие звёзды, или если бы эволюция пошла по другому пути, и мы имели бы только чувство осязания, так что наше знание приходило бы только от тактильных ощущений, или если бы ментальные способности человечества переставали бы развиваться в раннем детстве, так что наши эмоциональные и аналитические способности никогда бы не превосходили способности пятилетнего ребёнка, — короче говоря, если бы наш опыт рисовал нам портрет жалкой реальности, — то наше восхищение жизнью было бы основательно подорвано. И когда мы, в конце концов, нашли бы выход на земную поверхность, или когда бы мы обрели способность видеть, слышать, обонять и пробовать на вкус, или когда бы наши умы перешагнули пятилетний рубеж и стали бы такими, как сейчас, то наш коллективный взгляд на жизнь и космос, несомненно, изменился бы самым радикальным образом. Наш первоначально ограниченный взгляд на реальность привёл бы совсем к другой трактовке ответа на самый фундаментальный из всех философских вопросов.
Однако можно спросить: ну и что из того? Ведь здравый смысл подсказывает, что хотя мы можем и не понимать всего во Вселенной — всех деталей устройства материи или организации жизни, — но мы посвящены в главные мазки на полотне природы. Конечно, как нам указывал Камю, прогресс в физике, заключающийся в понимании числа пространственных измерений, или прогресс в нейропсихологии, заключающийся в понимании всех организационных структур мозга, или прогресс в любой другой области науки мог бы внести мелкие недостающие штрихи в общую картину мира, но влияние этого прогресса на нашу оценку жизни и реальности оказалось бы минимальным. Несомненно, реальность такова, какой мы её считаем; реальность дана нам в наших ощущениях.
Этого взгляда на реальность придерживаются, в той или иной степени, многие из нас, не отдавая себе в этом отчёт. Я ловлю себя на том, что в повседневной жизни думаю точно так же; легко обмануться картиной, даваемой нашими органами чувств. И всё же, десятилетия спустя после первого знакомства с утверждениями Камю я твёрдо понял, что современная наука говорит совсем иное. Глобальный урок, преподнесённый наукой в прошлом столетии, состоит в том, что человеческий опыт зачастую является обманчивым проводником на пути к истинной природе реальности. За поверхностью повседневной жизни лежит мир, который мы едва ли осознаём. Последователи оккультизма, приверженцы астрологии и люди, придерживающиеся религиозных принципов, говорящие о реальности за пределами нашего опыта, уже давно пришли к аналогичному заключению. Но не это я имею в виду. Я обращаюсь к работам изобретательных инноваторов и неустанных исследователей — учёных, — снимающих слой за слоем с «космической луковицы», разгадывая загадку за загадкой, и открывающих перед нашим взором Вселенную одновременно удивительную, незнакомую, захватывающую, элегантную и совершенно непохожую на то, что когда-либо ожидалось.
Их исследования — это что угодно, но не просто «детали». Прорывы в физике вызвали — и продолжают вызывать — существенный пересмотр наших представлений о космосе. Как и десятилетия назад, я по-прежнему убеждён в том, что Камю верно назвал вопрос ценности жизни самым насущным философским вопросом, но достижения современной физики убеждают меня в том, что оценка жизни сквозь призму повседневного опыта подобна разглядыванию картин Ван Гога через пустую бутылку из-под кока-колы. Современная наука подорвала веру в показания наших органов чувств, доказав, что зачастую они дают туманное представление о мире, в котором мы живём. Это и убедило меня в том, что физические вопросы первичны, хотя Камю отделил их и стал считать их вторичными. Оценка существования без учёта достижений современной физики подобна борьбе во тьме с неизвестным противником. Углубляя понимание истинной природы физической реальности, мы основательно пересматриваем свой взгляд на самих себя и на наше восприятие Вселенной.
Основная цель данной книги — разъяснить достижения современной физики, радикально меняющие картину реальности перед нашим взором; при этом упор будет делаться на те достижения, которые привели к пересмотру наших представлений о пространстве и времени. Со времён Аристотеля до Эйнштейна, со времён астролябии до телескопа «Хаббл», со времён пирамид до горных обсерваторий мышление оперировало категориями пространства и времени. С наступлением современной научной эры значение этих категорий чрезвычайно возросло. Достижения физики за последние три столетия привели к пониманию того, что пространство и время являются как самыми загадочными и трудными понятиями, так и самыми действенными в научном анализе. Эти достижения также показали, что пространство и время возглавляют список старейших научных конструкций, чаще всего пересматривавшихся в ходе новых научных исследований.
Согласно Исааку Ньютону, пространство и время просто существуют, образуя пассивную универсальную космическую сцену, на которой разыгрываются все события. Согласно же его современнику и частому оппоненту Готфриду Вильгельму Лейбницу, «пространство» и «время» служат всего лишь удобным обозначением для связей между тем, где был объект и когда произошло событие, и ничем бо́льшим. Однако согласно Альберту Эйнштейну пространство и время являются исходным материалом, лежащим в основе реальности. Своими теориями относительности Эйнштейн встряхнул наши представления о пространстве и времени и вскрыл их принципиальную роль в эволюции Вселенной. С этого момента пространство и время стали жемчужинами физики. Они одновременно и знакомы, и таинственны; достижение полного понимания пространства и времени стало для физиков самой вызывающей задачей и самым желанным призом.
Научные достижения, о которых мы будем говорить в данной книге, по-разному вплетаются в ткань пространства и времени. Некоторые идеи будут оспаривать основы представлений о пространстве и времени, которые в течение столетий, если не тысячелетий, не подвергались никакому сомнению. Другие идеи будут устанавливать связь между нашим теоретическим пониманием пространства и времени и теми их характерными чертами, которые мы обычно ощущаем. Третьи идеи поднимут вопросы, не решаемые в рамках обычных ограниченных представлений.
Мы совсем немного будем затрагивать философию (и совсем не будем говорить о самоубийстве и смысле жизни). Но мы совершенно ничем не будем сдерживать себя в нашем научном стремлении раскрыть таинство пространства и времени. С решительным намерением выяснить истинную природу пространства и времени мы будем изучать их и в привычных, и в выходящих за рамки обычного условиях: начиная с масштабов мельчайшей крупинки Вселенной и самых ранних моментов её существования до самых далёких пределов Вселенной и самого отдалённого её будущего. Мы не придём ни к каким окончательным выводам, поскольку история пространства и времени ещё не полностью написана. Но мы познакомимся с рядом достижений — некоторые покажутся очень странными, некоторые принесут удовлетворение, некоторые могут быть проверены в эксперименте, а другие пока останутся чисто спекулятивными, — которые покажут, на сколько мы приблизились к тому, чтобы своим умом охватить ткань космоса и прикоснуться к истинной структуре реальности.
Классическая реальность
Историки расходятся в том, когда началась современная научная эпоха, но, несомненно, начало ей положили труды Галилео Галилея, Рене Декарта и Исаака Ньютона. В те дни был заложен новый метод изучения природы — научный подход, возникший благодаря тому, что данные, полученные в ходе наблюдений земных и небесных явлений, всё больше указывали — всё происходящее в космосе подчиняется строгому порядку, описываемому на языке математического анализа. Пионеры современного научного мышления приводили доводы в пользу того, что происходящее во Вселенной можно не только объяснять, но и предсказывать, если встать на правильную точку зрения. Была открыта предсказательная сила науки — способность предсказывать моменты будущего, причём делать это согласовано и количественно.
Первые научные исследования фокусировались на том, что можно было видеть или ощущать в повседневной жизни. Галилей сбрасывал предметы разного веса с наклонной башни (как гласит легенда) и наблюдал за скатыванием шаров по наклонной плоскости; Ньютон наблюдал за падением яблок (как гласит легенда) и изучал орбиту Луны. Целью этих исследований было настроить зарождающийся научный слух на гармонию природы. Конечно, объектом опытов служила физическая реальность, но ставилась задача уловить гармонию и причину ритмичности и регулярности явлений. Много воспетых и безвестных героев внесли свой вклад в быстрый и впечатляющий прогресс, но Ньютон затмил всех. С помощью нескольких уравнений он описал всё известное о движении на Земле и в небесах и тем самым положил начало классической физике.
За десятилетия, последовавшие за работой Ньютона, его уравнения были включены в стройную математическую структуру, что существенно расширило как их охват, так и их практическую ценность. Классическая физика постепенно становилась утончённой и зрелой научной дисциплиной. Но путеводной звездой для всех этих достижений были прозрения Ньютона. Даже сегодня, более чем триста лет спустя, уравнения Ньютона можно видеть на университетских досках по всему миру; по этим уравнениям рассчитываются траектории движения космических аппаратов, и те же уравнения Ньютона можно встретить в сложных расчётах на переднем крае науки. Ньютон описал многообразие физических явлений в рамках единого теоретического подхода.
Но, формулируя свои законы движения, Ньютон наткнулся на трудную проблему, которая будет особенно важна в нашей истории (глава 2). Все знают, что объекты могут двигаться, но как насчёт арены, на которой происходит движение? Это пространство, — ответим мы хором. Но что такое пространство? — спросил бы далее Ньютон. Является ли пространство реальной физической сущностью или оно представляет собой абстрактную идею, рождённую в ходе человеческого усилия понять космос? Ньютон сознавал, что надо ответить на этот ключевой вопрос, ведь иначе, без опоры на понятия пространства и времени, его уравнения движения окажутся попросту бессмысленными. Понимание требует контекста; прозрение должно иметь под собой твёрдую почву.
В нескольких предложениях в «Математических началах натуральной философии» Ньютон изложил свою концепцию пространства и времени, объявив их абсолютными и вечными сущностями, предоставляющими для Вселенной жёсткую и неизменную арену. Согласно Ньютону, пространство и время образуют невидимый каркас, придающий форму и структуру Вселенной.
Но не все согласились. Некоторые убедительно возражали, что не очень-то разумно приписывать существование тому, что невозможно почувствовать или ухватить или на что невозможно повлиять. Но сила объяснений и предсказаний на основе уравнений Ньютона усмирила критиков. В течение следующих двух столетий его концепция абсолютного пространства и времени утвердилась как догма.
Релятивистская реальность
Классический взгляд Ньютона давал ощущение удовлетворения. Он не только описывал с поразительной точностью природные явления, но и детали этого описания — математическая трактовка — полностью согласовывались с опытом. Если вы толкнёте объект, он начнёт ускоряться. Чем сильнее вы бросите мяч, тем сильнее он ударится о стену. Если вы надавливаете на объект, вы чувствуете, что он оказывает противодействие. Чем массивнее объект, тем сильнее он притягивается к земле. Таковы свойства природы, и в уравнениях Ньютона они отражаются как в чистой воде. Действие законов Ньютонов понятно всем, имеющим хотя бы минимальную математическую подготовку. Классическая физика давала прочный фундамент для человеческой интуиции.
Ньютон ввёл в свои уравнения и силу гравитации, но только в 1860-х гг. шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл включил в классическую физику силы электричества и магнетизма. Для этого Максвеллу потребовались дополнительные уравнения и более изощрённая математика. Но его новые уравнения столь же успешно описывали явления электричества и магнетизма, как уравнения Ньютона описывали движение. В конце XIX в. стало казаться, что никакие секреты Вселенной не могут устоять перед мощью человеческого интеллекта.
Действительно, после успешного включения в классические уравнения сил электричества и магнетизма всё больше росло ощущение, что изучение теоретической физики вскоре будет завершено. Некоторые считали, что физика быстро становится законченной наукой, и её законы будут вскоре высечены в камне. В 1894 г. известный физик-экспериментатор Альберт Майкельсон отметил, что «большинство основополагающих принципов прочно установлены», и сослался на «именитого учёного» (большинство полагают, что это был английский физик лорд Кельвин), сказавшего, что всё, что остаётся — это определить некоторые числа с бо́льшим числом знаков после запятой.{1} В 1900 г. Кельвин сам заявил, что горизонт омрачают лишь «два облачка», одно из которых относится к свойствам движения света, а другое — к аспектам излучения нагретых тел,{2} но в целом это всего лишь детали, которые, несомненно, вскоре будут прояснены.
За следующее десятилетие всё изменилось. Как и ожидалось, две проблемы, поставленные лордом Кельвином, были вскоре разрешены, но они оказались далеко не малозначащими. Каждая из них вызвала целую революцию, и каждая требовала фундаментально переписать законы природы. Были низвержены классические концепции пространства, времени и реальности — те самые, которые сотни лет не только исправно работали, но и лаконично выражали наше интуитивное ощущение мира.
Релятивисткая революция, рассеивающая первое из «облачков» Кельвина, произошла в 1905 и 1915 гг., когда Альберт Эйнштейн закончил создание своей специальной и общей теорий относительности (глава 3). Разгадывая загадки, связанные с электричеством, магнетизмом и движением света, Эйнштейн понял, что ньютоновская концепция пространства и времени, краеугольный камень классической физики, содержит изъяны. В течение нескольких напряжённых недель весной 1905 г. он установил, что пространство и время не абсолютны, как думал Ньютон, а сплетены друг с другом и относительны, что бросает вызов обычному опыту. Десять лет спустя Эйнштейн вбил последний гвоздь в крышку гроба ньютоновских представлений, переписав законы гравитации. На этот раз он не только показал, что пространство и время являются частями единого целого, но и показал, что за счёт своего искажения и искривления они участвуют в космической эволюции. Вместо того чтобы быть жёсткими и неизменными структурами, как представлял себе Ньютон, пространство и время в переработке Эйнштейна оказались гибкими и динамичными.
Две теории относительности относятся к самым ценным из достижений человечества, и этими теориями Эйнштейн опрокинул ньютоновское представление о реальности. Несмотря на то что ньютоновская физика математически охватывает многое из переживаемого нами на физическом уровне, описываемая ей реальность оказалась расходящейся с реальностью нашего мира. Наша реальность — релятивистская. Однако благодаря тому, что расхождение между классической и релятивистской реальностью проявляется только в экстремальных условиях (условиях экстремальных скоростей и гравитации), ньютоновская физика даёт очень точное приближение, полезное во многих ситуациях. Но «полезность» и «реальность» — совсем разные категории. Как мы увидим дальше, свойства пространства и времени, с которыми большинство из нас сроднилось, отражают, как оказалось, неверное ньютоновское представление.
Квантовая реальность
Вторая аномалия, упомянутая лордом Кельвиным, привела к квантовой революции — одному из величайших переворотов, который когда-либо происходил в человеческом понимании. Когда улеглось пламя и рассеялся дым, на фасаде здания классической физики остались выжженными знаки квантовой реальности.
Основное утверждение классической физики состоит в том, что если знать положение и скорость всех объектов в заданный момент времени, то с помощью уравнений Ньютона вместе с уравнениями Максвелла можно определить их положение и скорость в любой момент времени, в прошлом или будущем. Классическая физика прямо заявляет, что прошлое и будущее запечатлены в настоящем. И с этим согласны также общая и специальная теории относительности. Хотя релятивистские понятия прошлого и будущего являются более изощрёнными, чем их классические аналоги (главы 3 и 5), уравнения обеих релятивистских теорий столь же полно описывают прошлое и будущее на основании данных о настоящем.
Однако в 1930-х гг. физики были вынуждены разработать совершенно новую концептуальную схему, названную квантовой механикой. Совершенно неожиданно они пришли к тому, что только квантовые законы могут решить множество загадок и объяснить множество новых данных, касающихся атомной и субатомной областей. Однако квантовые законы гласят, что даже если провести самые точные измерения, то самое лучшее, на что можно надеяться, — это предсказать вероятность того или иного события в будущем или прошлом. Согласно квантовой механике Вселенная не запечатлена в настоящем, а участвует в некоей игре случая.
И хотя нет единого мнения, как именно следует интерпретировать уравнения квантовой механики, однако большинство физиков солидарны в том, что вероятность глубоко вплетена в ткань квантовой реальности. В то время как человеческая интуиция и её отражение в классической физике рисуют перед собой реальность, в которой всё происходящее идёт определённо тем или иным образом, то квантовая механика описывает реальность, в которой события подвешены в состоянии неопределённости и могут идти частично тем и частично иным образом. События становятся определёнными, только когда подходящее наблюдение вынуждает их покинуть квантовую неопределённость и остановиться на каком-либо выборе. Однако реализующийся исход не может быть предсказан — мы можем предсказать лишь вероятность того, что события пойдут тем или иным образом.
Это, откровенно говоря, очень странно. Мы не приучены к реальности, остающейся неоднозначной до её восприятия. Но странность квантовой механики на этом не кончается. Не менее удивительным является свойство, описанное в 1935 г. Эйнштейном в соавторстве с двумя молодыми коллегами, Натаном Розеном и Борисом Подольским, в работе, которая была направлена против квантовой теории.{3} По иронии научного прогресса, эта работа Эйнштейна теперь может рассматриваться как одна из первых, указавших на то, что согласно квантовой механике нечто, что вы делаете здесь, может быть мгновенно связано с тем, что происходит где-то там, независимо от расстояния. Эйнштейн считал нелепой такую мгновенную связь и интерпретировал её появление в рамках квантово-механической математики как доказательство того, что над теорией надо ещё немало поработать, прежде чем она достигнет приемлемой формы. Однако в 1980-х гг., когда как теоретические, так и технологические достижения позволили направить мощь экспериментальных исследований на этот предполагаемый квантовый абсурд, выяснилось, что мгновенная связь между тем, что происходит в очень удалённых друг от друга местах, действительно может иметь место. В строгих лабораторных условиях действительно происходит то, что Эйнштейн считал абсурдом (глава 4).
Влияние этого свойства квантовой механики на наше представление о реальности является предметом современных исследований. Многие физики, и я в том числе, считают его частью радикального квантового пересмотра смысла и свойств пространства. Обычно пространственное разделение влечёт физическую независимость. Если вы хотите контролировать то, что происходит на другом конце футбольного поля, вам надо пойти туда или, по крайней мере, послать кого-то или что-то (помощника тренера, звуковые волны, передающие речь, вспышку света, чтобы привлечь чьё-то внимание и т. д.) через всё поле, чтобы передать своё указание. Если вы не делаете этого (если вы остаётесь пространственно отдалены), вы не сможете ни на что повлиять, поскольку разделяющее пространство гарантирует отсутствие физической связи. Квантовая механика бросает вызов справедливости этой точки зрения, выявляя возможность, по крайней мере при определённых условиях, побеждать пространство; дальнодействующие квантовые связи могут игнорировать пространственную отдалённость. Два объекта могут находиться далеко друг от друга, но с точки зрения квантовой механики они как бы составляют единую сущность. Более того, из-за тесной связи между пространством и временем, обнаруженной Эйнштейном, квантовые связи также имеют временны́е щупальца. Мы вкратце познакомимся с некоторыми поистине чудесными экспериментами, в которых недавно был установлен ряд поразительных пространственно-временных взаимосвязей, вытекающих из квантовой механики, и эти эксперименты, как мы увидим, бросают мощный вызов классическому, интуитивному взгляду на мир, которого придерживаются многие из нас.
Несмотря на многие впечатляющие достижения, остаётся одна основная черта времени — направленность времени из прошлого в будущее, — которую не объясняет ни теория относительности, ни квантовая механика. Убедительный прогресс в этом отношении достигнут только в области физики, называемой космологией.
Космологическая реальность
Открыть глаза на истинную природу Вселенной всегда было одной из важнейших целей физики. Трудно вообразить себе более ошеломляющее занятие, чем осмысление (которое происходило в течение последнего столетия) того, что реальность, которую мы ощущаем, является лишь слабым отблеском настоящей реальности. Но физика столь же ответственна и за разъяснение элементов реальности, которые мы действительно переживаем. Из нашего беглого взгляда на историю физики может показаться, что с обычным нашим опытом физика разобралась ещё до девятнадцатого столетия. До некоторой степени это верно. Но даже сегодня мы далеки от его полного понимания. И среди составных частей нашего обычного опыта, не поддающихся полному объяснению, есть одна, которая погружает нас в одну из глубочайших нерешённых загадок современной физики — загадку, которую великий английский физик сэр Артур Эддингтон назвал стрелой времени{4}.
Мы принимаем как данное, что события разворачиваются во времени в определённом направлении. Яйца разбиваются, но не собираются снова в целое; свечи тают, но не восстанавливаются; наша память всегда хранит прошлое, но не будущее; люди стареют, но не молодеют. Эта асимметрия правит нашими жизнями; это различие между «вперёд» и «назад» во времени является превалирующим элементом переживаемой реальности. Если бы между «вперёд» и «назад» во времени была бы та же симметрия, что и между «левым» и «правым» или между «вперёд» и «назад» в пространстве, то мир стал бы неузнаваемым. Разбившиеся яйца снова становились бы целыми столь же часто, как и разбивались; сгоревшие свечи восстанавливались бы столь же часто, как и сгорали; мы помнили бы столько же о будущем, сколько и о прошлом; люди молодели бы столь же часто, как и старели. Несомненно, такая симметричная по времени реальность не является нашей реальностью. Но откуда возникает асимметрия времени? Что ответственно за самое основное из всех свойств времени?
Оказывается, известные и принятые законы физики не имеют такой асимметрии (глава 6): в рамках этих законов время может течь как в прямом, так и в обратном направлении, и при этом сами законы не меняются. И это ведёт к грандиозному парадоксу. Ничто в уравнениях фундаментальной физики не указывает на различие в направлениях времени, однако это совершенно расходится со всем, что нам известно из обычного повседневного опыта.{5}
Удивительно, что, хотя мы рассматриваем элементарные черты повседневной жизни, самое убедительное разрешение этого разногласия между фундаментальной физикой и обычным опытом требует рассмотрения самого необычного события — возникновения Вселенной. Понимание этого уходит своими корнями в работу великого физика девятнадцатого столетия Людвига Больцмана; затем оно было развито многими учёными, в особенности английским математиком Роджером Пенроузом. Как мы увидим, особые физические условия при возникновении Вселенной (высокоорганизованная среда в момент Большого взрыва или сразу после него) могли впечатать в реальность направление времени, примерно как заводят часы путём закручивания пружины до высокоупорядоченного начального состояния, что позволяет затем часам тикать и отмерять своё время. Таким образом, в некотором смысле (который мы ещё уточним) процесс разбивания яйца (в противоположность обратному гипотетическому процессу) носит отпечаток условий рождения Вселенной примерно 14 млрд лет тому назад.
Эта неожиданная связь между повседневным опытом и ранней Вселенной даёт понимание того, почему события всегда разворачиваются одним образом, и никогда — противоположным, но она не полностью решает загадку стрелы времени. Эта связь лишь переводит загадку в область космологии — науки, изучающей происхождение и эволюцию космоса в целом — и вынуждает нас искать, действительно ли Вселенная была высокоупорядоченна в самом начале, как того требует объяснение стрелы времени.
Космология — одна из древнейших тем, привлекавших человечество. И это не удивительно. Мы все любим истории, а какая история может быть величественнее истории творения? В течение нескольких последних тысячелетий религиозные и философские системы вносили свой вклад в копилку версий того, как всё — Вселенная — началось. За свою долгую историю наука также пыталась приложить руку к этому вопросу. Но только открытие общей теории относительности Эйнштейна ознаменовало рождение современной научной космологии.
Вскоре после того, как Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, он вместе с другими исследователями применил её ко Вселенной в целом. Через несколько десятилетий их исследования привели к подходу, который теперь называется теорией Большого взрыва, и этот подход успешно объяснил множество астрономических наблюдений (глава 8). В середине 1960-х гг. теория Большого взрыва получила новое подтверждение: в наблюдениях был обнаружен приблизительно однородный фон микроволнового излучения, пронизывающего всё пространство и невидимого для невооружённого глаза, но легко регистрируемого микроволновыми детекторами, — этот фон был предсказан теорией. И в 1970-х гг., после десятилетия более тщательных проверок и существенного прогресса в понимании того, как основные составляющие космоса отвечают на экстремальные изменения плотности и температуры, теория Большого взрыва заняла своё место в качестве лидирующей космологической теории (глава 9).
Несмотря на успех, теория была не лишена и значительных недостатков. В её рамках трудно было объяснить, почему пространство в целом имеет форму, обнаруженную в ходе детальных астрономических наблюдений, и она никак не объясняла, почему температура микроволнового излучения, интенсивно изучавшегося с момента его обнаружения, практически одинакова по всему небу. Более того, что очень важно для истории, о которой мы говорим, теория Большого взрыва убедительно не объясняла, почему Вселенная могла быть высокоупорядоченной сразу после своего возникновения, как это требуется для объяснения стрелы времени.
Поиски ответов на этот и другие открытые вопросы привели к главному прорыву в конце 1970-х – начале 1980-х гг., известному как инфляционная космология (глава 10). Инфляционная космологии модифицирует теорию Большого взрыва путём введения в самом начале зарождения Вселенной чрезвычайно короткого промежутка времени, за который Вселенная колоссально расширилась (более чем в миллион триллионов триллионов раз за менее чем одну миллионную от одной триллионной от одной триллионной доли секунды). Как станет ясно, в ходе этого колоссального расширения Вселенная проходит большой путь, позволяющий заполнить пробелы, оставленные моделью Большого взрыва, — объяснить форму пространства и однородность микроволнового излучения, а также предложить объяснение того, почему ранняя Вселенная могла быть высокоупорядоченной, и тем самым продвинуться в объяснении как астрономических наблюдений, так и стрелы времени (глава 11).
При этом, несмотря на достигнутые успехи, инфляционная космология в течение двух десятилетий скрывала собственную загадку. Как и стандартная теория Большого взрыва, инфляционная космология базируется на уравнениях общей теории относительности Эйнштейна. Хотя многочисленные исследования подтвердили пригодность уравнений Эйнштейна для точного описания крупных и массивных объектов, но физикам давно было известно, что для точного теоретического анализа сверхмалых объектов — таких как наблюдаемая Вселенная спустя доли секунды после своего рождения — требуется квантовая механика. Однако проблема состоит в том, что попытки объединить уравнения общей теории относительности с уравнениями квантовой механики приводят к гибельным последствиям. Уравнения совершенно разваливаются, и это не позволяет нам ответить на вопрос, как возникла Вселенная, и определить, были ли при её рождении условия, необходимые для объяснения стрелы времени.
Не будет преувеличением описать эту ситуацию как кошмар теоретика: отсутствие теоретических инструментов для анализа очень важной области, лежащей за пределами экспериментальных возможностей. И, поскольку пространство и время столь тесно сплетены в этой особой недоступной области рождения Вселенной, для понимания пространства и времени совершенно необходимы уравнения, которые могут справиться с экстремальными условиями колоссальной плотности, энергии и температуры в самые ранние моменты возникновения Вселенной. Многие физики считают, что эти уравнения даст единая теория.
Объединённая реальность
В течение нескольких столетий физики пытались объединить наше знание мира, показав, что разнообразные и кажущиеся нам различными явления на самом деле подчиняются одной и той же системе физических законов. Эта унификация — или объяснение широчайшего круга физических явлений с помощью минимального набора физических принципов — стала пожизненной страстью Эйнштейна. С помощью двух своих теорий относительности Эйнштейн объединил пространство, время и гравитацию. Но этот успех только подстегнул его стремление мыслить шире. Он мечтал найти единую систему, которая охватила бы все законы природы; он назвал эту систему единой теорией. Хотя и ходили слухи, что Эйнштейн нашёл единую теорию, все они оказались беспочвенными; мечта Эйнштейна осталась несбывшейся.
Одержимые поиски единой теории в последние тридцать лет его жизни отдалили Эйнштейна от основного течения физических исследований. Многие молодые учёные смотрели на его целенаправленный поиск величайшей теории как на чудачество гения, свернувшего в конце жизни на неверный путь. Но спустя десятилетия после смерти Эйнштейна всё больше физиков берутся продолжить его неоконченный поиск. Сейчас разработка единой теории находится среди самых важных и актуальных проблем теоретической физики.
За многие годы физики обнаружили, что основным препятствием для создания единой теории является фундаментальный конфликт между двумя главнейшими достижениями физики XX в.: общей теорией относительности и квантовой механикой. Хотя эти две теории обычно применяются в совсем разных областях (общая теория относительности — для очень больших объектов типа звёзд и галактик, а квантовая механика — для микроскопических объектов типа молекул и атомов), но каждая из них претендует на универсальность, применимость во всех областях. Однако, как было упомянуто выше, все попытки объединить уравнения этих теорий приводили к бессмысленным результатам. Например, при использовании квантовой механики совместно с общей теорией относительности для вычисления вероятности того или иного события, включающего гравитацию, неизменно получалось не нечто вроде 24, 63 или 91%, а бесконечность. Это не означает, что вероятность столь высока и что можно ставить на неё все свои деньги. Вероятность выше 100% не имеет смысла. Вычисления, приводящие к бесконечной вероятности, просто указывают на нестыковку уравнений общей теории относительности и квантовой механики.
В течение более чем полувека учёные знали об этом конфликте общей теории относительности и квантовой механики, но мало кто из них чувствовал настоятельную необходимость разрешить это противоречие. Большинство учёных просто предпочитали использовать для анализа крупных и массивных объектов только общую теорию относительности, а для анализа мельчайших и легчайших частиц — только квантовую механику, удерживая эти теории «на безопасном» расстоянии друг от друга. Такая политика «разрядки напряжённости» позволила добиться поразительных успехов в областях макромира и микромира, но не принесла окончательного успокоения.
Ведь оставалась «пограничная зона» (экстремальные ситуации, когда массивные объекты обладают микроскопическими размерами), в которой требовалось опираться как на общую теорию относительности, так и на квантовую механику. Два самых известных примера из этой области: центральная область чёрной дыры, где целая звезда сжалась под собственной тяжестью до размеров миниатюрной точки, и Большой взрыв, знаменующий рождение нашей Вселенной, — когда, как предполагается, вся видимая часть Вселенной была сжата до размеров, меньше атомных. Без успешного объединения общей теории относительности и квантовой механики коллапс звёзд и рождение Вселенной навсегда останутся неразгаданными тайнами. Многие учёные предпочитали откладывать решение этих проблем, пока не решены более простые насущные задачи.
Но некоторые исследователи не могли с этим смириться. Конфликт между известными законами означает несостоятельность в попытке ухватить глубокую истину вещей, и этого достаточно, чтобы учёные не могли успокоиться. Но при погружении в эту проблему обнаруживалось, что вода глубока, а течение бурно. Прошло немало времени, но исследователи продвинулись слабо; перспектива выглядела безрадостной. И всё же стойкость тех, кто неизменно придерживался выбранного курса и поддерживал мечту об объединении общей теории относительности и квантовой механики, была вознаграждена. Сейчас по освящённому ими пути физики приближаются к гармоничному слиянию законов большого и малого. И главным претендентом, с чем согласятся многие, является теория суперструн (глава 12).
Как мы увидим, теория суперструн начинается с нового ответа на старый вопрос: каковы мельчайшие неделимые компоненты материи? В течение многих десятилетий общепринятым был следующий ответ: материя состоит из частиц (электронов и кварков), которые можно представлять в качестве неделимых точек, не имеющих ни размера, ни внутренней структуры. Общепринятая теория гласит (и эксперименты подтверждают это), что разнообразные сочетания элементарных компонент порождают протоны, нейтроны и всё многообразие атомов и молекул, составляющих полный набор того, с чем мы только ни сталкиваемся. Теория суперструн говорит другое. Она не отрицает ключевую роль электронов, кварков и других элементарных частиц, обнаруженных в экспериментах, но утверждает, что эти частицы не являются точками. Согласно теории суперструн любая частица представляет собой мельчайшую ниточку или струну энергии, в сотни миллиардов миллиардов раз меньшую размеров атомного ядра (что выходит за пределы доступных нам сейчас возможностей исследования). И подобно тому как струна виолончели может вибрировать с различными частотами, вызывая различные музыкальные тона, так и нити теории суперструн могут вибрировать различным образом. Однако вибрации этих нитей, как утверждает теория суперструн, соответствуют не нотам, а различным свойствам элементарных частиц. Микроскопической струне, вибрирующей одним образом, соответствует масса и электрический заряд электрона; согласно теории суперструн такая вибрационная мода может представлять то, что мы традиционно называем электроном. Мельчайшая струна, вибрирующая другим образом, может иметь свойства, соответствующие кварку, нейтрино или какой-либо другой элементарной частице. Таким образом, в теории суперструн объединяются все виды элементарных частиц, каждая из которых представляет одну из вибрационных мод одной и той же сущности.
Переход от точек к струнам, которые так малы, что выглядят как точки, может показаться не ахти каким революционным изменением. Но этот переход на самом деле существенен. Стартуя со столь скромного начала, теория суперструн объединяет общую теорию относительности и квантовую механику в единую связную теорию, изгоняя пагубные бесконечные вероятности, преследовавшие все ранее предпринимавшиеся попытки объединения. Более того, теория суперструн обладает достаточной широтой, чтобы вплести в единое полотно как все силы природы, так и все частицы материи. Короче говоря, теория суперструн вышла первым кандидатом на единую теорию, о которой грезил Эйнштейн.
Если эти утверждения верны, то они знаменуют собой грандиозный шаг вперёд. Но самое поразительное, к чему приводит теория суперструн и что взволновало бы сердце Эйнштейна, заключается в изменении наших представлений о ткани космоса. Как мы увидим, предлагаемое теорией суперструн объединение общей теории относительности и квантовой механики математически осуществимо только в том случае, если мы согласимся на ещё один переворот в наших представлениях о пространстве и времени. Вместо привычных нам трёх пространственных и одного временно́го измерения теория суперструн требует девяти пространственных и одного временно́го измерения. А в самом революционном воплощении теории струн, известном как М-теория, для великого объединения требуется десять пространственных и одно временно́е измерение — космический субстрат, состоящий из одиннадцати пространственно-временных измерений. Тот факт, что мы не видим этих дополнительных измерений, теория суперструн объясняет тем, что до сих пор мы улавливали лишь тонкий срез реальности.
Конечно, неподтверждённость существования дополнительных измерений может также означать и то, что их попросту нет и, значит, теория суперструн неверна. Однако не следует делать столь поспешных выводов. Ещё за десятилетия до возникновения теории суперструн самые смелые учёные, включая Эйнштейна, раздумывали над идеей существования дополнительных пространственных измерений, не видимых нами, а также делали предположения о том, где они могли бы скрываться. Теоретики, работающие над теорией суперструн, значительно развили эти идеи и пришли к выводу, что дополнительные измерения либо свёрнуты до таких крохотных размеров, что ни мы, ни наше оборудование не можем их увидеть (глава 12), либо велики, но невидимы на тех путях, на которых мы сейчас исследуем Вселенную (глава 13). В обоих случаях мы имеем очень далеко идущие последствия. Геометрическая форма микроскопических свёрнутых измерений, воздействуя на вибрационные моды струн, может дать ответ на самые основополагающие вопросы, такие как: почему в нашей Вселенной могут существовать звёзды и планеты? А если дополнительные измерения макроскопические, то, возможно, рядом с нами существуют соседние миры (соседние не в обычном пространстве, а с точки зрения дополнительных измерений), о которых мы до сих пор и не догадывались. Смелая идея существования дополнительных измерений является не просто каким-то теоретическим «журавлём в небе». Возможно, вскоре её удастся проверить. Если дополнительные измерения действительно существуют, то эксперименты на следующем поколении ускорителей элементарных частиц могут привести к таким впечатляющим результатам, как синтез микроскопических чёрных дыр или открытие целого семейства новых частиц (глава 13). Эти и другие поразительные результаты могут послужить первым доказательством существования других измерений, помимо видимых нами, и подвести нас на шаг ближе к утверждению теории суперструн в качестве искомой единой теории.
Если теория суперструн окажется верной, то мы должны будем признать, что известная нам реальность является лишь тонким шифоном, драпирующим плотную и богато текстурированную ткань космической реальности. Вопреки заявлению Камю, определение числа пространственных измерений (и, в частности, открытие, что их не только три) окажется чем-то гораздо бо́льшим, чем незначительной деталью. Открытие дополнительных измерений покажет нам, что весь наш человеческий опыт прошёл мимо самого основополагающего и существенного аспекта устройства Вселенной.
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?