Семь этюдов по физике - Карло Ровелли

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.

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.