На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё Гефтер Аманда
«Поскольку все совершенно одинаково, – продолжал он, – то нельзя указать ни место, ни время в H-состоянии. Не существует положения в пространстве, поскольку все положения одинаковые. Не существует времени, поскольку все моменты времени одинаковы. Ничего не изменяется ни в пространственном, ни во временном, ни в любом другом измерении. Но все наши фундаментальные законы природы диктуют, что такое состояние не может сохраняться долго. Оно неустойчиво. Законы термодинамики, нарушение симметрии и квантовая механика предписывают H-состоянию трансформацию от ничего к чему-то. Поскольку в H-состоянии нет ни пространства, ни времени, изменения будут происходить во всех местах и во все моменты времени. Можно сказать, что Вселенная родилась из точки, но эта точка имела бесконечную протяженность… Однородность – это окончательная реальность. Структуры принадлежат обычной реальности… Ничто не может существовать. Оно нестабильно».
Рассуждения отца впечатляли сходством с рассуждениями, с которыми я знакомилась благодаря физикам на протяжении многих лет. Вильчек, к примеру, писал: «Самая симметричная фаза Вселенной в целом оказывается нестабильной. Можно предположить, что Вселенная начиналась с наиболее симметричного состояния и что в таком состоянии материя не существовала… В конце концов появляется область в менее симметричной фазе, возникающая если не по какой другой причине, то как следствие квантовых пульсаций… Это событие может быть определено как Большой взрыв… Наш ответ на главный вопрос Лейбница „почему существует нечто, а не ничто?“ – „ничто неустойчиво“».
Конечно, с тех пор мы осознали, что рассуждение «ничто нестабильно, и квантовые флуктуации будут менять его на что-то» приводит к серьезным трудностям. Это была глобальная история, рассказанная всеведущим рассказчиком, который умел смотреть на мир глазами Бога из системы отсчета, расположенной за пределами H-состояния. По отношению к этой системе отсчета H-состояние, у которого, по определению, нет никакого «снаружи», должно было бы измениться. Более того, это рассуждение предполагает квантовую механику, оставляя повисшим, неотвеченным вопрос Уилера: почему квант?
Но теперь, благодаря Ровелли, у меня появился намек на ответ. «Почему квант?» – вопрос того же рода, что и вопрос «Почему небулева логика?» Но небулева логика, как я теперь знала, была фиктивной логикой, логикой, которая всплывает, когда вы пересекаете горизонты событий, когда вы пытаетесь описать реальность с нескольких точек зрения одновременно. Квантовая логика небулева, потому что реальность коренным образом зависит от наблюдателя. Потому что ни о какой вещи сообщение, начинающееся со слов «на самом деле», не может быть продолжено единым образом. Есть мое «на самом деле», и есть «на самом деле» моего отца, но они никогда не бывают оба сразу.
H-состояние не могло измениться, потому что у него нет никакого «снаружи». Но отсюда, изнутри, могло показаться, что оно изменилось, словно что-то – это то же ничто, если посмотреть на него изнутри. Здесь, внутри, при конечной скорости света, наблюдатели не могут увидеть мир целиком. Их собственная точка зрения ограничена. Но когда вы ограничиваете H-состояние, оно перестает быть H-состоянием. Перестает быть ничем. Становится чем-то.
Конечно, у этой идеи была своя сложность: она требовала конечной скорости света для того, чтобы определить световые конусы, которые, в свою очередь, ограничивали перспективу наблюдателя. Упрямая скорость света по-прежнему оставалась нетронутой на нашей салфетке, последним ингредиентом, не разлагаемым ни на что другое и необъяснимым. Если наблюдатели создают реальность, то откуда появляются сами наблюдатели?
Озадаченная, я перелистывала страницы тетради моего отца. Со звездочкой, нарисованной рядом, мой отец выписал цитату из Лао-Цзы: «Обретение самой драгоценной жемчужины нельзя сравнить с обнаружением источника всего сущего».
Несколько дней спустя, рано утром, я обнаружила статью, лежащую на полу под дверью в мою спальню. Мои родители ушли на работу. Сонная, я подняла ее. К ней была прикреплена записка: «Ключ? L, D».
Я снова села на кровать читать. Это была расшифровка доклада французского астрофизика по имени Лоран Нотталь. Странно, конференция, на которой он сделал этот доклад, была не о физике, а о буддизме. Я рассмеялась. Физика и буддизм? Добавить к этому Боба Дилана и немного овсяного печенья с изюмом, и получится рай для моего отца.
Теория относительности, пояснял Нотталь, говорит о пустоте, пустоте движения, пространства и времени. Самая счастливая находка Эйнштейна заключалась в том, что человек в свободном падении не может почувствовать свой собственный вес. «Благодаря этому, – писал Нотталь, – он понял, что гравитация, которую мы все хорошо знаем и которая настолько универсальна, не существует сама по себе». Она зависит от наблюдателя. Она в конечном счете не реальна.
«Форма – это пустота, пустота – это форма, – говорил Нотталь, цитируя „Сутру сердца“. – Вот в чем содержание теории относительности». Когда я добралась до десятой страницы, я обнаружила, что отец выделил фрагмент текста: «Форма – это пустота, потому что всегда можно найти систему отсчета, в которой вещь исчезает. На этом этапе мы действительно можем понять, в какой системе координат объект исчезает. Ответ заключается в том, что он исчезает в собственной системе отсчета… в себе… Это верно для любого свойства, какое только мы можем рассмотреть. Свойство может исчезнуть в собственной системе отсчета. Возьмите все что угодно: цвет, форму, объект, массу, частицы – и поместите себя туда, внутрь, и оно исчезнет. Внутрь цвета – и нет цвета… То, что создает цвет, – это длина волны. Если вы меньше, чем длина волны, то понятия цвета для вас даже не существует. Он исчезает полностью. Если вы находитесь в свете, участвуете в его движении, то свет и время исчезают (это то, что Эйнштейн понимал в пятнадцатилетнем возрасте, и то, что привело его к созданию первой теории относительности десять лет спустя). Таким образом, внутри движения нет движения, внутри положения нет положения, внутри частицы нет частицы».
Если вы находитесь в свете, свет исчезает.
Я уронила статью на колени. Господи!
Это то, что нужно.
Это был ответ.
Будучи подростком, Эйнштейн задавался вопросом, как будет выглядеть свет, если бежать вдоль луча с той же скоростью. Но что произойдет, если вы перевернете вопрос и спросите: как Вселенная выглядит с точки зрения света[55]? Что видит фотон?
Свет, по определению, полностью использует все пространство-время как пространство, ничего не оставляя для времени. Другими словами, все, что он видит, он видит сразу, пространством без времени. С моей точки зрения, свет звезды, находящейся на расстоянии пять миллионов световых лет, проходит свой путь за пять миллионов лет, прежде чем добраться до моих глаз. Но с точки зрения света, его путешествие происходит мгновенно. С точки зрения света, скорость света – это не скорость света. Он не имеет скорости. Он появляется везде сразу в одно мгновение. Фотон не видит Вселенной. Фотон видит сингулярность.
Он видит H-состояние.
До меня все это дошло только сейчас. Многое зависит от скорости света: существование горизонтов событий, световые конусы, границы информации, системы отсчета, наблюдатели. Пока она была инвариантной, таковы были и они.
Инвариантность света не оставила равнодушным и Уилера. 27 августа 1985 года он написал в своем дневнике: «Мой рисунок (U-диаграмма) показывает рефлексивную систему с одним, по крайней мере, первичным элементом, этой пунктирной линией». Этой пунктирной линией была конечная и инвариантная скорость света. Самонастраивающийся контур Уилера мог объяснить все, кроме этого.
Но теперь я поняла, что скорость света – не инвариант. Она не реальна. «Так мы проверяем что-то на реальность. Если можно найти хотя бы одну систему отсчета, в которой оно исчезает, тогда это не инвариант, оно зависит от наблюдателя». Нотталь указал систему отсчета, в которой скорость света исчезает, – система отсчета самого света.
Горизонты – последние оставшиеся ингредиенты реальности, последние остатки песчаного замка, растворяющегося в безграничной однородности песчаного пляжа, пунктирная линия, идущая сквозь космическую историю, последний оплот, стоявший между чем-то и ничем, – были построены из света, застывшего на месте под действием ускорения и гравитации.
Но горизонты не имеют горизонтов.
Границы не имеют границ.
«Граница границы равна нулю».
В тот вечер я пригласила отца поужинать вместе в нашем китайском ресторане, где он впервые спросил меня, что такое ничто.
Я понимаю, что насилие над собственной жизнью ради такого рода искусственной кинематографической симметрии уже набило оскомину. Но у меня было чувство, что так надо. Я должна помнить, как далеко мы продвинулись и, в то же время, как мало все изменилось. Кроме того, я знала, как отец любит курицу с кешью.
Мы вошли в ресторан и сели за тот же самый столик, в чем оба готовы поклясться, хотя, подозреваю, это могла быть какая-то общая ложная память. После того как у нас приняли заказ, я достала ноутбук.
– Посмотри, – сказала я. – Вот список ключевых идей.
Я зачитала их по пунктам, одну за другой.
Первое: ничто определяется как бесконечное, неограниченное, однородное состояние. Это означает, что «нечто» – это конечное, ограниченное состояние. Для того чтобы ничто превратить в нечто, нужна граница.
Второе: не существует ненулевых сохраняющихся величин. Все – в каком-то смысле ничто.
Третье: все в физике, по-видимому, определяется граничными значениями. На горизонтах.
Четвертое: законы физики имеют смысл только в системе отсчета единичного наблюдателя, единичного светового конуса.
Пятое: в рамках одной системы отсчета вся зависящая от наблюдателя космическая история будет разворачиваться в соответствии с подходом «сверху вниз» в космологии и принципом отложенного выбора Уилера.
Шестое: принцип дополнительности Сасскинда и голографическое пространство-время предполагают, что за пределами моего горизонта нет ничего реального. Как будто область, вырезанная моим световым конусом, – это вся реальность.
Седьмое: положительное значение нашей космологической постоянной гарантирует, что для любой заданной системы отсчета существует непреодолимая, зависящая от наблюдателя граница. Вселенная принципиально фрагментирована. Можно ждать вечно, но ты никогда не увидишь ее целиком.
Восьмое: аномально низкая мощность квадрупольной компоненты реликтового излучения, по-видимому, указывает, что размер всей Вселенной – это размер ее видимой части.
Девятое: реляционный характер квантовой механики и неизбежные ограничения, связанные с гёделевской самореференцией, доказывают, что субъект никогда не может быть объектом в своей собственной системе отсчета и что, в свою очередь, мир всегда разбит на части.
Десятое: М-теория, наше самое лучшее описание физического мира на сегодня, похоже, не содержит онтологии.
Одиннадцатое: реальность принципиально зависит от наблюдателя. Каждый ингредиент гипотетической окончательной реальности, каждый пункт, выписанный нами на салфетку в калифорнийской блинной, был вычеркнут. Ничто не инвариантно. Ничто в конечном счете не реально.
– Впечатляющая картина, – сказал отец.
Мягко сказано! Жуть брала, насколько это все укладывалось вместе. Но во что именно? В Ничто?
– Как ты думаешь, что все это значит? – спросила я.
– Я думаю то же, что и ты думаешь, – сказал он. – Это все – ничто, H-состояние, оно только выглядит чем-то, когда у тебя есть ограниченная внутренняя перспектива. Но у тебя и должна быть ограниченная внутренняя перспектива, потому что никакой внешней перспективы нет. Нет никакого «снаружи». Но есть возможность преобразования, которое можно выполнить, чтобы перейти в систему отсчета, связанную со светом, горизонтом, и возвратиться обратно в ничто, которое всегда рядом.
Да, я именно так и думала. Определить ничто как бесконечное, неограниченное и однородное состояние – у этого было два следствия: ничего нет вовне, и ничто никогда не изменится. На первый взгляд, идея представлялась обреченной: если ничего не может измениться, то как могла родиться Вселенная? Но ответ таился в первом принципе космологии Смолина: ничто дает рождение внутри себя. Вселенная рождается только внутри некоторой ограниченной системы отсчета, где и разворачивается ее история – из настоящего в прошлое. Вселенная осуществляется сверху вниз, но только относительно этой системы отсчета. За пределами этой системы отсчета нет ничего.
Невозможность божественной перспективы указывает на отсутствие какой-либо реальности за пределами точки зрения единичного наблюдателя. В конце концов, почему все законы физики должны быть определены в рамках единой системы отсчета, если в рамках той же системы отсчета не определена вся Вселенная?
– Знаешь, если ты начал с предположения, что внутренние системы отсчета создают Вселенную путем преобразования безграничного ничто в ограниченное что-то, то тебе и следовало ожидать, что осмысленная физика возможна только в пределах одной системы в один момент времени, с вылезающим бессмысленным избытком информации всякий раз, когда по ошибке из внимания ускользает наличие горизонта, – сказала я. – И если единственная система отсчета обозначает границу реальности, ты бы решил, что располагаешь свидетельствами отсутствия чего-либо за пределами космического горизонта.
– Свидетельства вроде аномально низкой мощности квадрупольной компоненты реликтового излучения? – спросил отец, улыбаясь.
Я улыбнулась в ответ. Заманчивая перспектива!
Одно было ясно: ключом к существованию была граница. С самого начала я подозревала, что одних световых конусов было бы недостаточно. Если времени бесконечно много, любой световой конус охватит все H-состояние, превращая нечто обратно в ничто. Казалось, что требовалось что-то более надежное, что-то вроде постоянной границы, обеспечиваемой темной энергией. Опять же, предположим, было бы достаточно сказать, что ни один наблюдатель не может измерить себя сам. Предположим, гёделевская неполнота и невозможность проводить измерения над собой удерживают ничто в его гавани, и тогда мир навсегда останется разделенным пополам – на наблюдателя и наблюдаемое.
Чтобы ничто превратить в нечто, требуется ограничить информацию конечным количеством, которое можно получить из бита. «Что-то информационно-теоретического характера лежит в основе физики, пространства-времени, самого существования, – написал Уилер по дороге в больницу в 1986 году. – Этой короткой фразой я бы ответил на просьбу о последнем слове, прежде чем я оставлю эту землю».
Я задавалась вопросом, почему из всех глубочайших мыслей, бродивших в его голове, Уилер выбрал именно эту в качестве своего последнего слова о природе реальности. Почему не самонастраивающийся контур природы? Или границу границы? Почему информация?
Теперь я начала понимать, чем информация в действительности была – асимметрией. Чтобы зарегистрировать бит информации, вам необходимо два различных состояния: черный или белый, спин вверх или спин вниз, 0 или 1. Вам нужна двоякость. Ведь энтропия была мерой недостающей информации, а вместе с энтропией появляется симметрия. Равномерно распределенный по объему газ – воплощение высокой энтропии; он всюду почти одинаков, предельно симметричен. А что такое симметрия? Это избыточность описания, избыточность информации[56]. Если вам надо описать шестиконечную снежинку, то информация, которая для этого требуется, описывает лишь один из ее углов и их число. Вам не нужна индивидуальная информация по каждому углу снежинки отдельно, потому что она будет в точности повторяться снова и снова. Шестиконечная снежинка симметрична, и потому одна и та же информация повторяется шесть раз. Чем больше в чем-то симметрии, тем меньше в нем информации.
В H-состоянии, придуманном отцом, все одинаково. Это состояние совершенной симметрии. А значит, информация, содержащаяся в нем, нулевая, что вполне резонно, если учесть, что мы имеем дело с ничем. И как же получить информацию из H-состояния, превращая ничто в нечто? Обозначить границы. Граница нарушает симметрию, создавая информацию. Но граница зависит от наблюдателя, как и информация, которую она создает.
«В классической физике вы можете определить состояние какой-то системы, а потом придет кто-то другой и тоже определит состояние той же самой системы и получит тот же самый результат, что и вы, – говорил нам Журек. – В квантовой механике такое, как правило, невозможно».
Теперь я поняла, почему это было невозможно. Проведение квантовых измерений сводится к выбору системы отсчета. В небулевой суперпозиции любых возможных точек зрения не существует никакой дифференциации, никакой информации. Квантовая интерференция уже позаботилась об этом. Когда вы делаете измерения, выбрав одну точку зрения в рамках булевой логики, ограничивающей возможные ответы двумя – «да» или «нет», вы нарушаете симметрию суперпозиции и создаете наугад бит информации. «Все дело в интерактивности, – сказал Журек, – это ключ к разгадке, как устроена Вселенная».
– Если бы мир не был квантово-механическим, – сказала я отцу, – тогда он, наверное, не мог бы возникнуть из ничего. Я говорю сейчас не том, что обычно имеется в виду, когда люди рассуждают о квантовой механике: что, начав с некого состояния, которое можно назвать «ничто», мы приходим к другому состоянию, назовем его «нечто», благодаря принципу неопределенности. Это тривиально. Здесь предполагается существование квантовой механики с самого начала. Я имею в виду другое: если бы мир не описывался квантовой механикой, то его логика была бы булевой и реальность была бы инвариантной. Все наблюдатели пришли бы к согласию относительно истинности предложений. Они бы пришли к единому мнению о том, что реально, а что нет. Не было бы никакой интерференции между их точками зрения; физика была бы классической. Но когда у нас есть инвариантность, у нас есть нечто, от которого нам не отделаться словами. Это была бы реальность, онтологически отличающаяся от ничего, и тогда мы бы столкнулись с пропастью, которую невозможно преодолеть, перекинув логический мостик. Нет смысла говорить, что Вселенная родилась из ничего, но сейчас она представляет собой нечто – нет способа получить одно из другого. Так можно сказать только в том случае, если Вселенная – ничто. Но если Вселенная – ничто, то только ничто окончательно реально. Ничто (не) инвариантно. И отсутствие инвариантности проявляется для нас в виде квантовой механики.
– То есть всякая вселенная, в каком-то смысле реально существующая, вселенная, представляющая из себя нечто, не описывалась бы квантовой механикой?
– Что-то мне это подсказывает, – сказала я. – Уилер всегда знал, что квант – это ключик к отгадке. Я думаю, что это был ключик к зависимости реальности от наблюдателя. Намек, что все, в глубине своей сути, – это ничто.
– Ты слышала о пещере Платона? – спросил отец. – Мы все сидим внутри пещеры и не видим, что происходит снаружи, мы видим только тени на стене. Предполагается, что из-за этого нам никогда не познать реальный мир. Но истина состоит в том, что нам необходимо иметь ограниченную систему отсчета для того, чтобы существовала хоть какая-то реальность! Если ты не прикована к своему световому конусу, ты ничего и не увидишь. Разве только H-состояние.
Я кивнула:
– Не будет никакой информации. Нам нужно нарушение симметрии, тень, для того чтобы получить информацию и из информации родился мир. Бытие из бита.
Меня охватило возбуждение. Я улыбалась. Становилось ясно: ограниченная система отсчета создает иллюзию мира, но даже система отсчета сама по себе остается иллюзией. Наблюдатели создают реальность, но наблюдатели не реальны. Невозможно онтологически отчетливо определить наблюдателя, потому что вы всегда можете найти систему отсчета, в которой наблюдатель исчезает: система отсчета самой системы отсчета, граница границы.
– Если физикам удастся когда-нибудь обнаружить инвариант, то игра будет окончена, – размышлял отец. – Гипотеза, что Вселенная, в действительности, ничто, будет опровергнута.
Что верно, то верно. Но, по крайней мере, до сих пор, все претенденты на инвариантность разделили судьбу пространства и времени, оказавшись относительными и зависящими от наблюдателя. Пространство-время, гравитация, электромагнетизм, ядерные силы, массы, энергии, импульс, момент импульса, заряд, размерности, частицы, поля, вакуум, струны, Вселенная, мультивселенная, скорость света – все они, один за другим, сошли со сцены, оказавшись иллюзией. Пелена реальности спала, и осталось только одно. Ничто.
В моем воображении этот вывод сопровождался громкими звуками фанфар. Вспыхнул яркий свет, и воздушные шары и конфетти взмыли к потолку, словно нас сочли сотыми по счету посетителями в супермаркете. Толпы ликующих людей заполнили ресторан и столпились вокруг нас, аплодируя. Глядя в толпу, я заметила некоторые знакомые лица. Там была Фотини Маркопулу в длинном платье, а рядом с ней я видела Карло Ровелли и Ли Смолина. Алан Гут пришел со своим гигантским желтым рюкзаком, Джеймс Ледиман с дредами, свисающими на спину. Тимоти Феррис поигрывал ключами от автомобиля, а Энди Альбрехт смеялся и размахивал руками, словно хотел сказать: «Все идет как надо!» В стороне я заметила шляпу-панаму: Брокман и Мэтсон тоже были здесь. Позади них я увидела Фила из Scientific American, и, готова поклясться, в толпе мелькнул и Рик с Манхэттена. Сквозь шум толпы я услышала характерный бронксовский акцент Сасскинда, и я оглянулась, чтобы увидеть его. Он стоял с Рафаэлем Буссо и Томом Бэнксом. Джо Полчински был тоже здесь, как и Голова Эд. А рядом с ними, в своей коляске, сидел Стивен Хокинг. Я заметила Кипа Торна в одежде героя фильма «Звездный путь». Я увидела копну рыжих волос и догадалась, что это был Журек. Под ногами с криками «ага!» сновали семь счастливых крыс – одна из них с большой х-образной повязкой там, откуда обычно растет хвост. Вдруг толпа замолкла и расступилась, давая проход пожилому человеку, с трудом пробирающемуся к нашему столу. Когда он подошел, я увидела, что это Уилер. Он пожал руку сначала отцу, а потом мне. Он улыбался, и я видела блеск в его глазах.
– Я же говорил вам, настойчивость будет вознаграждена.
Но в реальной жизни в ресторане по-прежнему было тихо, мир по-прежнему засорен вопросами, остающимися без ответа. В реальной жизни мы сдвинули наши бокалы, улыбнулись и отправились домой.
Вернувшись в свою старую спальню, я свернулась в постели с ноутбуком и еще раз просмотрела список ключевых идей.
То определение ничто, которое дал мой отец, позволило перебраться через онтологическую пропасть от ничто к нечто, а радикальная зависимость от наблюдателя любого ингредиента реальности, включая реальность самое, позволила перебраться обратно. Мы разгадали тайну Вселенной: физика описывает не то, как устроен мир – физика описывает, как устроена иллюзия, что мир существует.
Все еще оставалось много вопросов. Было непонятно, что принесет новая парадигма космологии – подход «сверху вниз» Хокинга и Хертога, голографическое пространство-время Бэнкса или что-то совсем другое. Непонятно было, какие новые ингредиенты могут быть похоронены среди дуальностей М-теории. Положительная космологическая постоянная, казалось, требовалась для того, чтобы ничто выглядело как что-то, но будет ли возможно точно определить ее значение в окончательной теории, или ее точное значение окажется несущественным, так же как несущественны точные значения скорости света или постоянной Планка? Будет ли раскрыта тайна темной материи? Проявится ли неожиданный поворот сюжета в данных, полученных на Большом адронном коллайдере или со спутника Планка, чтобы полностью поменять наше мировоззрение?
Лично я была рада всем этим вопросам, остающимся без ответа: они означали, что у нас есть чем еще заняться и что мы все еще вместе. Для меня охота за тайнами Вселенной и взросление всегда были одним и тем же, и я не была готова остановить свой рост.
«Каждый из нас автор своей собственной Вселенной, – написала я в своем блокноте, – но утешает то, что есть и другая система отсчета, в которой мы с отцом стоим рядом, участники общего дела». Если понадобится, пусть это будет моими последними словами на земле.
Я вспомнила тот день в Принстоне, когда мы впервые попали на конференцию по физике. Я думала о четырех вопросах Уилера и о том, как мы могли бы ответить на них после всего, что узнали. Бытие из бита? Да, но у каждого наблюдателя свое бытие из одного и того же бита. Биты сами зависят от наблюдателя и возникают благодаря асимметрии ограниченной системы отсчета. Интерактивная Вселенная? Интерактивная – да; Вселенная – нет. Существует по одной вселенной на каждого актора, и вы можете говорить только об одной из них в данный момент времени. Почему квант? Потому что реальность радикально зависит от наблюдателя. Потому что наблюдатели создают биты информации из ничего. Потому что нет никакого объекта «на самом деле», и никто не может использовать описания происходящего по обе стороны горизонта. Отчего существование? Существование – это то, как ничто выглядит изнутри.
Пора было приниматься за книгу. С обрыва ровной строчки на поля. Я сделала глубокий вдох.
«Трудно решить, с чего начать. И даже – что именно считать началом? Я могла бы сказать, что моя история началась в китайском ресторане, году так в 1995-м, когда мой отец спросил меня ни о чем, или, точнее, про ничто. Но, наверное, правильнее было бы говорить, что она началась примерно четырнадцать миллиардов лет назад, когда так называемая Вселенная якобы родилась, вдруг раскалившись и пропитавшись бытием. Затем я пришла к мысли, что моя история только-только начинается, прямо сейчас. Я понимаю, как странно это должно звучать. Поверьте мне, это зазвучит еще более странно».
Благодарности
Я не могу выразить всей глубины моей признательности многим физикам, которые терпеливо и великодушно на протяжении многих лет жертвовали ради меня своим временем, делились своими мыслями и которые даже не подозревают, насколько важную роль они сыграли в моей жизни. Я особенно хочу поблагодарить Ленни Сасскинда, Рафаэля Буссо, Фотини Маркопулу, Джо Полчински, Алана Гута, Тома Бэнкса, Карло Ровелли, Войцеха Журека, Кипа Торна, Ли Смолина и Джеймса Ледимана.
Этой книги никогда бы не было без помощи моих крутых издателей, Катинки Мэтсон, Джона Брокмана и Макса Брокмана, которые только теперь (смущенно) узнали, как долго я мечтала работать с ними. Я хочу поблагодарить их за то, что они дали мне шанс и помогли мне обрести голос.
Я испытала и радость и честь работать с редакционной командой издательского дома Random House и, особенно, с моим редактором Марком Тавани, который взялся за этот проект, в то время как другие разбежались в страхе, и всегда стоял за меня горой. Эта книга была бы полным кошмаром, если бы не гениальный литературный редактор Сью Варга и всегда предупредительный выпускающий редактор Лорен Новак. Отдельное спасибо тебе, Люк Демпси, где бы ты ни был сейчас, за веру в эту книгу с самого начала!
Я выражаю мою бесконечную благодарность сотрудникам библиотеки Американского философского общества и, в частности, Чарльзу Грейфенстейну, предоставившему нам доступ к дневникам Джона Уилера и сохранившему эту бесценную часть интеллектуальной истории человечества.
Я выражаю особую благодарность великолепной, доброй и веселой Мэгги Макки, которая любезно прочитала всю рукопись и сделала бесценные комментарии, а также Хестер Каплан, которая вдохновляла меня рассказывать истории.
Спасибо Дэну Фальку за прочтение основной части книги и за дружбу в течение десяти лет.
Огромное спасибо Филиппу Яму из Scientific American, оказавшему мне помощь как начинающему научному журналисту, и всем талантливым редакторам и журналистам, пишущим о науке, с которыми мне выпало счастье работать вместе. Я навсегда в долгу перед всем коллективом журнала New Scientist и особенно перед Майклом Бруксом, Майклом Бондом и Валери Джемисон за то, что они боролись за меня и поддерживали меня на протяжении многих лет.
Спасибо вам, Саманта Мэрфи и Ребекка Родригес, мои лучшие подруги. Тебе, Уинстон Лоуч, за веру в меня и тебе, Джо Китч, за моральную поддержку. Спасибо, Кристина Шок Вайс, Стефани Дреснер, Кевин Керриган, Наташа Верли, Кэтрин Томкинсон. Спасибо всем моим друзьям, терпевшим и поощрявшим мое безумие на протяжении многих лет.
Моя семья, а особенно моя бабушка Уинни Гефтер, – для меня целый мир. Я хотела бы выразить мое непреходящее восхищение Уильямом Гефтером, всегда ценившему силу мысли, и мою непередаваемую любовь к Гарри и Мэрион Бергельсонам, которых больше нет со мной, но которые воспитали меня.
Это путешествие никогда бы не сдвинулось с мертвой точки без неизменной поддержки моей мамы Марлен Гефтер. Она и мой брат, Брайан Гефтер, были моим вдохновением и моими лучшими друзьями – за то, что они вынесли многочасовые разговоры о физике за обеденным столом, они определенно заслуживают награды.
Наконец, посылаю лучи благодарности в Хунаньский ресторан в городе Ардморе штата Пенсильвания, откуда началось мое космическое приключение. Я никогда не забуду курицу с кешью.
Глоссарий
Аномально низкая мощность квадрупольной составляющей реликтового излучения – отсутствие температурных флуктуаций на масштабе больше, чем 60 градусов в космическом микроволновом фоне.
Антидеситтеровское пространство (AdS) – пространство, в котором космологическая постоянная общей теории относительности отрицательна. Из-за этого кривизна в каждой точке отрицательна, и поэтому свет может уходить на бесконечное расстояние от наблюдателя и возвращаться к нему за конечное время. В результате в AdS-пространстве световые конусы всех наблюдателей перекрываются, так что каждый из них видит одну и ту же вселенную.
Античастицы – частицы с одинаковой массой, но с противоположными зарядами, или, что то же самое, одинаковые частицы, движущиеся в противоположных направлениях во времени.
Антропный принцип – казалось бы, тавтологическое заявление о том, что особенности нашей Вселенной должны быть совместимы с нашим биологическим существованием. Почему? Возможно, мы живем в мультивселенной, в которой свойства изменяются от одной вселенной к другой, и неудивительно, что мы живем именно в той из них, в которой мы можем жить. Или, возможно, как предполагал Джон Уилер, наблюдатели играют ключевую роль в создании Вселенной, которая создает их самих.
Барион – элементарная частица, состоящая из трех кварков, в том числе нейтрон и протон атомного ядра.
Бозон – переносящая взаимодействие частица с целым спином. Примерами бозонов служат фотон, который переносит электромагнитное взаимодействие и имеет спин 1, и гравитон, который переносит гравитационное взаимодействие и имеет спин 2.
Большой взрыв – предполагаемое рождение Вселенной из очень плотного и горячего состояния, после чего она стала остывать и расширяться. И в самом деле, все на это указывает.
Бритва Оккама – философский критерий, согласно которому из множества эмпирически эквивалентных альтернатив ближе других к истине оказывается обычно простейшая из теорий.
Бытие из бита – выражение Уилера, в котором кратко формулируется его концепция, что существование всякого физического объекта, его бытие, определяется в конечном счете информацией, его описывающей, – «битами».
Виртуальная частица – частица, которая рождается из вакуума в паре с античастицей. Время и энергия связаны соотношением квантовой неопределенности, поэтому чем меньше неопределенность во времени, тем больше неопределенность в энергии. Это означает, что на очень короткий промежуток времени может спонтанно образоваться довольно большое количество энергии, которая в соответствии с формулой E = mc2 обладает также определенной массой. Масса – это значит какая-то частица. Возникнуть такая частица может только в паре, вместе с античастицей, и, так как энергия им одолжена лишь на короткое время, жить им недолго, откуда и название «виртуальные»: они быстро аннигилируют друг с другом и исчезают, если частицу и античастицу не разделит за время их существования горизонт событий. В таком случае виртуальная частица становится реальной – это явление известно как излучение Хокинга.
Волновая функция: в ней закодировано все, что можно знать о квантовом состоянии системы – в частности, распределение вероятностей исходов любых квантовых экспериментов.
Вселенная: «мы должны быть готовы к вопросу о самом значении термина „Вселенная“» (Джон Арчибальд Уилер).
Гильбертово пространство – хорошо математически определенное векторное пространство квантовых состояний.
Глобальное описание – отчет о реальности, учитывающий столько причинных световых конусов, сколько никакой одиночный наблюдатель не мог бы когда-либо увидеть.
Голографический принцип. Вся информация, необходимая для физического описания данной области пространства-времени, может быть закодирована на границе этой области меньшей размерности. Или, что эквивалентно, общая сумма информации, которая может уместиться в заданной области пространства-времени, не превосходит четверти площади ее границы, выраженной в планковских единицах.
Горизонт Риндлера – горизонт событий, возникающий для ускоренного наблюдателя. Пока наблюдатель движется с ускорением, свет из некоторых областей Вселенной никогда не сможет достичь его. В итоге часть Вселенной останется для него темной и причинно недоступной, как черная дыра.
Горизонт событий – поверхность в пространстве-времени, которую не может пересечь световой конус. Горизонты событий делят пространство-время на области, причинно не связанные друг с другом.
Декогеренция – процесс, в результате которого из-за взаимодействия с окружающей средой разрушается суперпозиция квантовых состояний (и связанная с ней интерференционная картина). Он объясняет, почему мы вряд ли когда-нибудь увидим одновременно и мертвого и живого кота.
Деситтеровский горизонт. Деситтеровская вселенная расширяется с ускорением. Свет может проходить не более чем конечное расстояние даже за бесконечное время, потому что в то время как свет проходит любое расстояние, это расстояние само по себе вырастает. Для любого инерциального наблюдателя существуют области Вселенной, свет от которых никогда не сможет его достичь. Горизонт событий, отделяющий доступную часть Вселенной от ее темной части, это и есть деситтеровский горизонт. Он зависит от положения наблюдателя и потому не может быть инвариантным при переходе от одного наблюдателя к другому.
Деситтеровское пространство – пространство-время, описываемое уравнениями общей теории относительности Эйнштейна с положительной космологической константой. Отрицательное внутреннее давление вакуума вызывает ускоренное расширение Вселенной и сокращение плотности вещества в ней. В таком пространстве каждый наблюдатель окружен собственным горизонтом событий, поэтому в нем не может быть двух наблюдателей, которые видели бы одну и ту же вселенную.
Диффеоморфное преобразование – метод, благодаря которому можно совместить две, казалось бы, несовместимые точки зрения путем введения дополнительной силы – например, гравитации. Так, совместить кривую линию с прямой можно, искривив лист бумаги. Это ключевой момент общей теории относительности и пример калибровочного преобразования.
Друг Вигнера – появляется в мысленном эксперименте Эйгена (Юджина) Вигнера, в котором он измеряет состояние атома в лаборатории, редуцируя его квантовую волновую функцию из множества вероятностей к одной реальности. Сам Вигнер в это время находится вне лаборатории, так что с его точки зрения никакой редукции волновой функции не было. Напротив: возникло запутанное состояние суперпозиции волновых функций атома и друга Вигнера. Возникает парадокс: кто прав? был ли коллапс волновой функции?
Дуальность – математически определяемое взаимно однозначное соответствие между двумя радикально различными физическими описаниями.
Зависимый от наблюдателя – так говорят о том, что изменяется при рассмотрении из разных систем отсчета.
Запутанность – разновидность суперпозиции квантовых состояний, при которой две системы описаны с помощью одной волновой функции, так что информация о системе не содержится ни в одной из систем в отдельности, а закодирована в их корреляции, которая сохраняется, несмотря на расстояние, разделяющее системы.
Излучение Унру – облако высокоэнергетических «горячих» частиц, известных также как частицы Риндлера. Они существуют только для ускоренного наблюдателя. Частицы образуются вблизи горизонта Риндлера примерно так же, как хокинговское излучение – вблизи горизонта черной дыры.
Излучение Хокинга – в ситуации, когда имеется горизонт событий, наблюдатели больше не смогут прийти к единому мнению, является ли пространство пустым или заполнено частицами. Эти зависящие от наблюдателя частицы называются излучением Хокинга.
Изоморфизм – взаимно однозначное соответствие. Например, информация, размазанная по поверхности двумерной голограммы, изоморфна трехмерному изображению объекта, закодированному в ней.
Инвариантность – одинаковость. Свойство является инвариантным, если оно не изменяется от одной системы отсчета к другой.
Инерциальный наблюдатель – наблюдатель, движущийся равномерно и прямолинейно. В книге фигурирует под именем Скруд. Оказавшись вблизи черной дыры, проваливается в нее.
Интерференционная картина – статический узор, возникающий при наложении волн. В тех точках, где их фазы совпадают, амплитуды волн складываются и интенсивность максимальна, а в тех точках, где фазы волн противоположны, амплитуды вычитаются и интенсивности минимальны.
Инфлатонное поле – гипотетическое скалярное поле, которое существовало в первые доли секунды после Большого взрыва. Считается, что инфлатонное поле рождается из ложного вакуума, распад которого вызывает расширение Вселенной со сверхсветовой скоростью.
Инфляция – расширение Вселенной со скоростью, превышающей скорость света. Возможно, имела место в течение первой одной триллионной доли секунды после Большого взрыва.
Калибровка – фаза или система отсчета.
Калибровочная симметрия – все калибровки или системы отсчета равноправны. Ни одна из них не предлагает более правдивую версию реальности, чем любая другая.
Калибровочное взаимодействие – взаимодействие, возникающее как компенсация несоответствия в описаниях одного и того же состояния в двух разных системах отсчета. Так, наличие электромагнитного взаимодействия, например, позволяет нам не перепутать два описания одного и того же электрона в разных системах отсчета, различающиеся фазой, и два разных электрона.
Калибровочный бозон – частица с целым спином, переносящая калибровочное взаимодействие.
Квантовая гравитация – спасительная окончательная теория, которая объединит все другие теории фундаментальных взаимодействий: и эйнштейновскую теорию гравитации, и общую теорию относительности, и квантовую теорию поля.
Квантовая космология – теория происхождения и эволюции Вселенной, которая учитывает ее принципиально квантовую природу. Проблема измерения приобретает для квантовой космологии особо острую форму, так как для Вселенной не может быть никакого «снаружи» по определению и, стало быть, негде устанавливать измерительный прибор.
Квантовая хромодинамика (КХД) – теория, которая описывает, как глюоны «склеивают» кварки друг с другом силами сильного ядерного взаимодействия.
Кварк-глюонная плазма – раскаленная плазма, состоящая из свободных кварков и глюонов. Она заполняла Вселенную на ранних этапах ее эволюции.
Коммутативность: если A B = B A, то A и B коммутируют. Если A B не равно B A, то они не коммутируют. Коммутационные соотношения говорят вам, насколько важен порядок действий. Квантовая неопределенность, например, говорит вам, что в рамках одной системы отсчета важно, измеряете ли вы сначала положение частицы в пространстве, а затем ее импульс, или сначала импульс, а затем положение в пространстве, потому что наиболее точно можно измерить то свойство частицы, которое измеряется первым. Точность измерения второго свойства будет зависеть от точности измерения первого.
Корпускулярно-волновой дуализм: всякая частица – одновременно с этим волна. Когда вы проводите измерение, она – всегда частица. Но она выглядит как волна в квантовой интерференции, обнаруживающей разницу фаз. Фаза может быть только у волны, так что частица должна быть волной. Но опять: фаза не является внутренним свойством частицы – она зависит от системы отсчета, в которой рассматривается частица.
Космический микроволновый фон – реликтовое излучение, оставшееся от Большого взрыва, состоящее из фотонов, чьи длины волн в процессе расширения Вселенной были растянуты до микроволновой области. Спектр реликтового излучения соответствует температуре 2,7 кельвина.
Космологическая константа – первоначально была введена Эйнштейном как постоянный член в уравнении общей теории относительности для того, чтобы в теории были стационарные решения. Со временем выяснился ее физический смысл: она дает значение плотности внутренней энергии вакуума. Если ее значение положительно, в вакууме действует расталкивающая сила, заставляющая пространство расширяться с ускорением. Если ее значение отрицательно, вакуум стягивает пространство в каждой его точке.
Красное смещение – растяжение длины волны фотона и соответствующее снижение его частоты и энергии. Красно смещение может возникать из-за эффекта Доплера, когда источник фотонов удаляется от наблюдателя. Так, например, галактики удаляются от нас благодаря расширению Вселенной[58]. Красное смещение также может возникать из-за расширения пространства или в гравитационном поле, через которое распространяется свет от источника к наблюдателю.
Ландшафт (теории струн) – набор из 10500 вакуумных состояний, описываемых в теории струн, полученных различными способами, с помощью которых можно компактифицировать дополнительные пространственные измерения. Каждому вакууму соответствует своя вселенная со своими локальными законами физики и собственным значением космологической константы.
Ложный вакуум – состояние, сохраняющее стабильность в течение некоторого времени, но не соответствующее самому низкому значению энергии. По прошествии некоторого времени оно обязательно распадается в более низкое энергетическое состояние.
Локальный – в пределах одного светового конуса, доступного для одного наблюдателя.
Лоренц-преобразование – переход от одной инерциальной системы координат к другой, при котором обеспечивается инвариантность пространственно-временного интервала. При этом часть пространства в одной системе преобразуется во время в другой. Это ключевой инструмент специальной теории относительности, необходимый, чтобы гарантировать неизменность скорости света во всех системах отсчета.
Лоренц-инвариантность – симметрия, обеспечивающая эквивалентность всех инерциальных систем отсчета, каждая из которых движется по отношению к любой другой прямолинейно и равномерно.
М-теория – кандидат на роль волшебной палочки в теории квантовой гравитации; общая теория, для которой пять версий теории струн и одиннадцатимерная супергравитация – всего лишь тени. Она описывает такие объекты, как частицы, струны и браны, но никто из них не является ее фундаментальным ингредиентом. На самом деле, неясно, имеет ли M-теория какие-либо фундаментальные ингредиенты вообще.
Математическая структура – множество изоморфных элементов или эквивалентных представлений числа.
Мировая линия – след наблюдателя в пространстве-времени.
Многообразие – расширение понятия пространства: в окрестности любой своей точки многообразие почти не отличается от плоского евклидова пространства, но в целом оно может быть изогнуто и замкнуто на себя. Основное правило общей теории относительности: чтобы заставить кривую линию совпасть с прямой, согните лист бумаги. Бумага – это, в данном случае, и есть многообразие.
Мультивселенная – глобальная коллекция причинно не связанных друг с другом вселенных.
Наблюдатель – система отсчета, или, скорее, тело отсчета, с пространственными ограничениями, возникающими вследствие конечности скорости света.
Небулева логика – логическая система, отрицающая логическую двузначность (истинно и ложно), как правило, отменяющая закон исключенного среднего и допускающая значения, которые и истинны и ложны одновременно.
Недоопределенность (недодетерминация) – возникает, когда имеется несколько в равной степени состоятельных теоретических объяснений, и у нас нет способа решить, какова же истинная реальность, лежащая в основе явления. Структурный реализм позволяет решить эту проблему, так как теоретические альтернативы обычно используют одну и ту же математическую структуру, оставив только одну познаваемую истинную реальность.
Неевклидова геометрия – геометрия, описываемая системой аксиом, из которой исключена пятая аксиома Евклида о параллельных. Эта аксиома гласит, что параллельные линии никогда не пересекаются. Геометрия искривленного пространства-времени общей теории относительности неевклидова.
Общая теория относительности – главное творение Эйнштейна, в котором полностью уравниваются инерциальные и ускоренные наблюдатели. Согласно этой теории, гравитация – это эффект искривления пространства-времени, компенсирующего различие систем отсчета, чтобы мы по ошибке не приняли разные описания реальности за разные реальности.
Онтология – то, что существует; основа реальности.
Перманентная (хаотическая) инфляция. Согласно теории инфляции, эволюция Вселенной началась с состояния ложного вакуума, который затем распадается, но в силу принципа неопределенности он распадается не везде одновременно. Когда вакуум распался в одной области пространства, эта область расширяется со скоростью, превосходящей скорость света, образуя во Вселенной пузырь, причинно изолированный от исходного вакуума. Оставшиеся части вакуума также распадаются, образуя другие пузыри. Однако ложный вакуум растет быстрее, чем распадается, поэтому всегда остаются области ложного вакуума и новые пузыри не прекращают образовываться. Любая мыслимая теория инфляции описывает развитие и образование бесконечной мультивселенной по этому сценарию.
Писец – гипотетический наблюдатель, придуманный Леонардом Сасскиндом, который живет во фридмановом пространстве, образовавшемся в процессе инфляции после серии распадов вакуума. Световой конус Писца будет продолжать расти вечно, позволяя ему измерить и описать, в принципе, любую область Вселенной – за исключением самого себя.
Планковский масштаб – масштаб невероятно малых длин (порядка 10—33 см) или, что то же самое, невероятно высоких энергий (порядка 1019 ГэВ). На этом масштабе квантовые эффекты становятся существенны для пространства-времени. Попытка добиться большего разрешения требует таких высоких энергий, при которых пространство-время разрушается и происходит его коллапс в черную дыру, поэтому планковский масштаб – это граница, за которой пространство-время теряет смысл.
Подход «сверху вниз» в космологии. Стивен Хокинг и Томас Хертог предложили теоретическую концепцию, согласно которой космологические наблюдения, проводимые сегодня, формируют прошлое Вселенной, выбирая его из суперпозиции всех ее возможных квантовых состояний. Фактически, это эксперимент с отложенным выбором Уилера на самом грандиозном масштабе: наблюдатели в настоящее время создают космическую историю длиной в 13,7 млрд лет.
Предложение – осмысленная фраза, содержащая некое утверждение или декларацию, которые могут быть либо истинными, либо ложными. Например: «Земля круглая» или «2 + 3 = 7».
Принцип дополнительности для черных дыр (обобщенный принцип дополнительности Сасскинда): Вселенную можно описать либо с точки зрения наблюдателя, находящегося над горизонтом событий, либо под ним, но никогда – с обеих точек зрения сразу.
Принцип неопределенности. Чем большей точности вы достигаете при измерении одного из пары сопряженных параметров, такого как импульс или энергия, тем меньшая точность доступна вам в измерении другого, такого как координата или время. Принцип неопределенности отражает некоммутативность соответствующих квантовых операторов: порядок, в котором производится измерение, имеет значение. Это говорит о том, что квантовые свойства радикальным образом зависят от наблюдателя.
Принцип общей ковариантности – ключевой принцип теории Эйнштейна, заключающийся в том, что не существует выделенного способа разделить пространство-время на пространство и время: фундаментальные законы физики остаются неизменными, независимо от способа разделения. В мире, в котором существуют ускоренные и инерциальные системы отсчета, сохранение принципа общей ковариантности требует диффеоморфных преобразований.
Принцип эквивалентности – одна из самых удачных идей Эйнштейна: не существует никакого различия между ускоренной системой отсчета без силы тяжести и инерциальной системой отсчета с гравитацией. Другими словами, гравитация в конечном счете не реальна – это калибровочная сила, которая устраняет несоответствие между реальностью, данной нам в ощущении в инерциальной системе, и реальностью ускоренной системы.
Причинный бриллиант – ограниченная область Вселенной, содержащая внутри все мировые точки, с которыми у данного наблюдателя возможны причинно-следственные связи. По форме она напоминает бриллиант и образуется пересечением двух световых конусов: один ограничивает все доступное наблюдателю будущее для начальной точки его мировой линии, а другой ограничивает все возможное наблюдателю прошлое для конечной точки его мировой линии.
Проблема измерения (в квантовой механике) – до измерения квантовая система находится во многих состояниях одновременно, что подтверждается явлением интерференции. Однако при измерении она обнаруживается только в одном из своих состояний. Что значит сделать измерения? Почему наши измерения влияют на реальность?
Проблема меры (в теории перманентной инфляции) – в бесконечной мультивселенной, возникающей в процессе перманентной инфляции, все, что может когда-либо произойти, происходит бесконечное число раз. Вычисление вероятности какого-либо события становится невозможным, так как все вероятности равны бесконечности, поделенной на бесконечность.
Пуанкаре-инвариантность – симметрия, которая обеспечивает эквивалентность всех инерциальных систем отсчета: движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, повернутых относительно друг друга или имеющих разные мировые точки своим началом. Это группа симметрии пространства-времени Минковского – плоского, свободного от гравитации пространства-времени специальной теории относительности Эйнштейна. Элементарные частицы инвариантны только в Пуанкаре-инвариантном пространстве-времени.
Реляционная квантовая механика – интерпретация квантовой механики, предложенная Карло Ровелли, которая подчеркивает зависимость квантовых измерений от наблюдателя.
Сверхновая – взорвавшаяся звезда.
Световой конус – область пространства-времени, охватывающая все, с чем данный наблюдатель может иметь причинно-следственную связь. Если что-то находится в области светового конуса прошлого, вы можете это увидеть. Если это за пределами вашего светового конуса прошлого, вы не можете этого увидеть – не прошло еще достаточно времени с момента происхождения Вселенной, чтобы свет от далекого источника достиг вас. Если что-то лежит внутри светового конуса вашего будущего, то ваши действия могут повлиять на это. Если это за пределами светового конуса вашего будущего, то это навсегда останется вне досягаемости.
Сильный принцип дополнительности утверждает, что физика имеет смысл только в рамках системы отсчета одного наблюдателя. С точки зрения квантовой механики это означает, что каждый наблюдатель живет в его (или ее) собственном гильбертовом пространстве.
Симметрия – одинаковость. Симметрии системы гарантируют, что определенные свойства системы остаются инвариантными при преобразовании симметрии.
Сингулярность – место, в окрестности которого неограниченно растет кривизна пространства-времени и поэтому перестают работать законы общей теории относительности, а вместе с этим теряют смысл понятия пространства и времени вообще.
Солипсизм – философия, построенная на убеждении, что никаких других сознательных существ, кроме меня, во Вселенной нет, и я единственный наблюдатель, который когда-либо будет читать это предложение.
Сохраняемые величины – величины, инвариантность которых гарантируется законами физики. Все эксперименты показывают, что во Вселенной не существует ненулевых сохраняющихся величин.
Специальная теория относительности – теория Эйнштейна, которая ставит все инерциальные системы отсчета в равное положение, сохраняя скорость света инвариантной во всех системах отсчета, но позволяя пространственным длинам и временным интервалам изменяться при переходе из одной системы отсчета к другой, так что то, что один наблюдатель воспринимает как время, другой может воспринимать как пространство. При этом четырехмерные пространственно-временные интервалы остаются инвариантными.
Стрела времени – представление о предпочтительном направлении во времени, а именно – вперед.
Структурный реализм (онтический) – философская предпосылка, смысл которой в том, что исходной сущностью, из которой строится мир, надо считать не вещь, а математическое отношение или структуру.
Супергравитация – теория, которая объединяет общую теорию относительности с суперсимметрией. Поскольку суперсимметричные преобразования локальны и то, что выглядит как бозон в одной системе отсчета, может выглядеть как фермион в другой, требуется калибровочная сила для компенсации рассогласования между системами отсчета. Таким калибровочным взаимодействием является гравитация.
Суперпозиция – явление, связанное со способностью квантовой системы находиться одновременно в нескольких взаимоисключающих квантовых состояниях, вроде шрёдингеровского кота, который и жив и мертв в одно и то же время. Мы не можем измерить квантовую систему, пока она находится в суперпозиции – при измерении суперпозиция сразу исчезает. Тем не менее у нас есть проявление суперпозиции в виде интерференционной картины. Суперпозиции отражают небулеву логику квантовой теории.
Суперсимметрия – теория, согласно которой бозоны и фермионы – это разные представления одного и того же универсального объекта. Отсюда следует, что всякий известный бозон – это какой-то известный фермион, только замаскированный, и наоборот; в результате число элементарных частиц должно уменьшиться вдвое. Но на деле это не так. Вместо этого у всех известных бозонов появляется в качестве партнера какой-то неизвестный фермион, и наоборот, то есть количество элементарных частиц удваивается, причем половина из них никогда еще не наблюдалась. С другой стороны, суперсимметрия элегантно сокращает число семейств частиц до одного и при локальной симметрии объединяет гравитацию с другими известными взаимодействиями. Иногда бритва Оккама режет в обоих направлениях.
Темная материя – гипотетическая форма материи, не участвующая ни в электромагнитных, ни в сильных ядерных взаимодействиях, но ее гравитационное поле, по мнению ученых, не дает разлетаться звездам в галактике.
Темная энергия – непознанная причина ускоренного расширения Вселенной. Наиболее вероятный подозреваемый – эйнштейновская космологическая константа.
Теорема Гёделя о неполноте утверждает, что если математическая система аксиом – достаточно сложная, чтобы, по крайней мере, формулировать утверждения о себе самой – непротиворечива, то она не может быть полной. То есть она будет содержать утверждения, которые в рамках данной системы принципиально недоказуемы.
Теорема о запрете клонирования – неизвестное квантовое состояние не может быть скопировано.
Теория петлевой квантовой гравитации – теория квантовой гравитации, в которой пространство-время состоит из дискретных единиц площади и объема.
Теория струн – одна из версий теории квантовой гравитации, полагающая, что все разные типы элементарных частиц представляют собой колебания одной сущности: струны. Суперсимметричные струны вибрируют в девяти пространственных измерениях.
Ускорение – скорость, с которой вектор скорости меняется во времени.
Ускоренный наблюдатель – наблюдатель, чьи скорость или направление движения претерпевают изменение. Встречается в книге под условным именем Сэйф. Ему не грозит падение в черную дыру.
Фаза – параметр, указывающий мгновенное состояние данного волнового процесса относительно данного наблюдателя. Фаза – это вовсе не какое-то внутреннее свойство волны, она зависит и от системы отсчета, от точки, в которой рассматривается волна.
Фермион – элементарная частица с полуцелым спином. Самый известный пример фермиона – электрон, спин которого 1/2.
Фиктивная сила – сила, возникающая вследствие определенного выбора состояния наблюдателя. Все четыре фундаментальные взаимодействия, существующие в природе, – гравитация, электромагнетизм, сильные и слабые ядерные силы – переносятся калибровочными полями, поэтому возникающие в результате силы являются фиктивными.
Фридманово пространство (пространство с метрикой Фридмана – Робертсона – Уокера, или, сокращенно, FRW-метрикой) – простая модель однородной расширяющейся или сужающейся вселенной.
Хиггсовский бозон – элементарное возбуждение хиггсовского поля.
Хиггсовское поле – всепроникающее поле, благодаря которому левоспиральные частицы симметричны правоспиральным. В результате и те, и другие могут иметь массу без нарушения калибровочной инвариантности.
Черная дыра – область пространства-времени, где настолько сильна гравитация, что даже свет не может выбраться из нее.
Черные дыры: парадокс потери информации. Что происходит с информацией внутри черной дыры, испаряющейся вследствие хокинговского излучения? Если информации удается оттуда выскользнуть, то теория относительности Эйнштейна неверна. Если информация не может избежать разрушения, то неверна квантовая механика. Но ни теория относительности, ни квантовая механика не должны оказаться ошибочными.
Эксперимент с двойной щелью – классический эксперимент, иллюстрирующий особенности квантового поведения частиц. В эксперименте частицы направляются на экран с двумя узкими параллельными щелями. За экраном расположена фотографическая пластинка для регистрации частиц. Когда обе щели открыты, на фотопластинке возникает интерференционная картина из чередующихся темных и светлых полос, характерная для налагающихся друг на друга волн. Даже в случае одиночных фотонов, проходящих через экран один за другим со значительной задержкой, возникает такая же интерференционная картина – факт удивительный, указывающий на то, что отдельные фотоны проходят через обе щели одновременно. Но если для регистрации фотонов в одной из щелей устанавливается детектор, то фотон будет проходить только через одну щель, и интерференционная картина исчезает.
Эксперимент с отложенным выбором – предложенная Уилером версия эксперимента с двойной щелью, в котором наблюдатель принимает решение либо измерить интерференционную картину, возникающую при прохождении частицы через обе щели, либо измерить траекторию, по которой проходит частица, и тем самым нарушить интерференцию уже после того, как частица, предположительно, прошла либо через обе щели, либо через одну. Другими словами, выбор наблюдателя определяет историю Вселенной после того, как она уже произошла.
Элементарная частица – неприводимое представление группы симметрии Пуанкаре. Это определение имеет значение лишь в таком пространстве-времени, которое инвариантно относительно движений этой группы, то есть в плоском пространстве-времени без гравитации. В присутствии гравитации не существует независимого от наблюдателя определения элементарной частицы. И в любом случае она, однозначно, совсем не похожа на крошечный шарик.
Энтропия – мера информации, требуемой, чтобы в деталях описать физическую систему.
Читать бесплатно другие книги:
