Высший замысел. Взгляд астрофизика на сотворение мира Хокинг Стивен

1. Загадка бытия

Жизнь каждого из нас скоротечна, и за это время мы способны познать лишь малую часть Вселенной. Но люди любознательны. Мы интересуемся, мы ищем ответы. Живя в этом огромном мире, где чередуются добро и зло, люди, вглядываясь в необъятные небеса, всегда задавали себе множество вопросов. Как понять мир, в котором мы оказались? Как развивается Вселенная? В чем суть реальности? Откуда все это взялось? Нуждалась ли Вселенная в творце? Большинство из нас не уделяют значительного времени размышлениям над этим вопросам, но почти все иногда задают их себе.

Традиционно на такие вопросы отвечала философия, но сейчас она мертва. Она не поспевает за современным развитием науки, особенно физики. Теперь исследователи, а не философы держат в своих руках факел, освещающий наш путь к познанию. Цель этой книги — дать ответы, основанные на последних научных открытиях и теоретических разработках. Они приводят нас к новой картине мира, которая значительно отличается от традиционной и даже от той, которую мы могли нарисовать себе еще лет десять или двадцать назад. Причем первые штрихи этой новой картины возникли почти столетие назад.

Согласно традиционному пониманию Вселенной, все тела в ней движутся по строго определенным траекториям и имеют четкую историю. Мы можем определить их точное положение в любой момент времени. Несмотря на то что такой подход вполне удовлетворителен для повседневных целей, в 1920-х годах было обнаружено, что эта «классическая» картина не соответствует кажущемуся странным поведению объектов на атомном и субатомном уровнях. Там пришлось применить другую систему взглядов, названную квантовой физикой. Квантовые теории оказались способными с исключительно высокой точностью предвычислять явления, происходящие в этих масштабах, и в то же время, будучи применимыми к макромиру нашей обычной жизни, они дают те же прогнозы, что и старые классические теории. Но квантовая физика базируется на совершенно иных представлениях о физической реальности, чем классическая физика.

Квантовые теории можно сформулировать по-разному, но, пожалуй, самое образное определение дал Ричард (Дик) Фейнман (1918–1988), который был весьма колоритной личностью. Он работал в Калифорнийском технологическом институте и частенько играл на барабанах бонго в ближайшем стрип-клубе. По Фейнману, система мира имеет не одну-единственную историю, а все, какие только возможны. В поисках ответа на наши вопросы мы подробно объясним фейнмановский подход и применим его для рассмотрения идеи о том, что у Вселенной нет одной-единственной истории и даже нет отдельного, независимого существования. Это идея выглядит радикальной даже для многих физиков. Действительно, она, как и многие другие идеи в современной науке, как будто противоречит здравому смыслу. Но здравый смысл зиждется на повседневном опыте, а не на знаниях о Вселенной, которая открывается нам через чудеса технологий, позволяющие заглянуть хоть в начало ее развития, хоть в глубь атома.

До возникновения современной физики было принято считать, что все знание мира может быть получено с помощью непосредственных наблюдений, что вещи таковы, какими они выглядят, как воспринимаются нашими органами чувств. Но впечатляющий успех современной физики, основанный на концепциях вроде фейнмановской, противоречащих нашему повседневному опыту, показал, что это не так. Стало быть, простое восприятие реальности несовместимо с современной физикой. Чтобы иметь дело с такими парадоксами, будем придерживаться подхода, который мы называем моделезависимым реализмом. Он основывается на том, что наш мозг интерпретирует сигналы, поступающие от органов чувств, и создает модель мира.

Когда такая модель удачно объясняет события, мы склонны приписывать ей, а также составляющим ее элементам и концепциям свойство реальности, или абсолютной истины. Но ведь одно и то же физическое явление можно смоделировать по-разному, используя различные фундаментальные идеи и концепции. Если две такие физические теории достоверно предсказывают одни и те же события, нельзя сказать, что одна модель реальнее другой, и мы вполне можем использовать ту, которая наиболее удобна.

В истории науки мы видим последовательность все более улучшающихся теорий, или моделей мира: от Платона до классической теории Ньютона и до современных квантовых теорий. Напрашивается вопрос: достигнет ли эта последовательность когда-нибудь конечной точки, окончательной теории Вселенной, которая включит в себя все взаимодействия и предскажет все наши наблюдения, или же мы будем бесконечно искать более совершенные теории, но так и не найдем той, которую уже невозможно будет улучшить? У нас пока нет четкого ответа на этот вопрос, но уже есть кандидат на окончательную теорию всего, если таковая вообще существует. Это так называемая М-теория. Она представляет собой всего лишь модель, обладающую всеми свойствами, которыми, по нашему мнению, должна обладать окончательная теория. Большая часть нашего последующего обсуждения будет основываться именно на М-теории.

М-теория — это не теория в обычном смысле. Это целое семейство различных теорий, каждая из которых является хорошим описанием наблюдений лишь для ограниченного ряда физических ситуаций. Она немного напоминает карту. Хорошо известно, что на одной карте невозможно показать всю земную поверхность без искажений. Обычная проекция Меркатора, используемая для карт мира, сильно искажает площади, преувеличивая их изображение на карте по мере приближения к Северному и Южному полюсам, а сами полюса картой в этой проекции вовсе не покрываются. Чтобы правильно показать на карте всю Землю целиком, нужно использовать набор карт, каждая из которых покрывает ограниченную область. Эти карты накладываются друг на друга, и в местах перекрытия отдельных листов на них изображен один и тот же ландшафт. То же самое и с М-теорией: все составляющие ее теории, даже если они выглядят сильно отличающимися друг от друга, могут рассматриваться как различные аспекты одной и той же общей теории. Они представляют собой варианты одной теории, применимые лишь в ограниченных пределах, например когда какие-то величины, скажем энергия, малы. Подобно перекрывающимся листам карт в проекции Меркатора, там, где различные версии накладываются друг на друга, они предсказывают одни и те же явления. Но точно также, как не существует плоской карты, которая без искажений отображает всю земную поверхность, не существует и единой теории, которая хорошо отображает то, что наблюдается во всех ситуациях.

Мы расскажем, какие ответы может предложить М-теория на вопрос о сотворении мира. Согласно М-теории, наша Вселенная не единственная. М-теория предсказывает, что из ничего было создано огромное множество вселенных. Для их сотворения не требуется вмешательства сверхъестественного существа или Бога. Скорее, эти многочисленные вселенные возникают естественным путем по законам физики. Они являются научным предсказанием. У каждой вселенной есть много возможных историй и много возможных состояний в более поздние времена, то есть во времена вроде нынешнего, спустя продолжительное время после их сотворения. Большинство этих состояний должны быть совершенно непохожими на видимую нам Вселенную и совершенно неподходящими для любой формы жизни. Лишь в очень немногих из них условия могут позволить наличие существ, подобных нам. Таким образом, наше присутствие выбирает из этого обширного множества только те вселенные, которые совместимы с нашим существованием. И хотя мы малы и незначительны в космическом масштабе, само наше присутствие делает нас в некотором смысле властелинами творения.

Карта мира. Чтобы представить Вселенную, может потребоваться ряд перекрывающихся теорий, подобно тому как для показа всей Земли без искажений требуется набор перекрывающихся карт.

Чтобы понять Вселенную на самом глубоком уровне, нам нужно знать не только как она себя проявляет, но и почему.

Почему есть что-то, вместо того чтобы не было ничего? Почему мы существуем?

Почему существует именно этот конкретный набор законов, а не какой-либо другой?

Это Главный вопрос Жизни, Вселенной и Всего такого. Мы попытаемся ответить на него в этой книге. В отличие от фантастического романа английского писателя Дугласа Адамса «Автостопом по галактике», где на все сложные вопросы давался универсальный, но бессмысленный ответ «42», наш ответ не будет столь примитивным.

2. Верховенство закона

Сколль имя Волка, за солнцем бежит он до самого леса;

а Хати другой, Хродвитнира сын, предшествует солнцу.

Старшая Эдда.

Речи Гримнира

В мифологии викингов волки Сколль и Хати гонялись за солнцем и луной. Когда кто-либо из них достигал своей цели, случалось затмение. Тогда люди спешили на помощь солнцу или луне, поднимая страшный шум в надежде, что он отпугнет волков. Похожие мифы есть и в других культурах. По прошествии времени люди наверняка заметили, что солнце и луна вновь появляются после затмения независимо от того, бегали они, крича и стуча во что попало, или нет. Они также не могли не заметить, что затмения происходят не спонтанно, апериодически, следуя какому-то правилу. Это было особенно очевидно для лунных затмений, что позволяло древним вавилонянам довольно точно их предсказывать, даже несмотря на то что они не знали, как происходит затмение: Земля перекрывает свет Солнца, падающий на Луну. Предсказывать же солнечные затмения было труднее, поскольку они видны с Земли лишь в пределах сравнительно узкой полосы шириной около тридцати миль. И все же подмеченные особенности ясно указывали, что затмения происходят не по произволу сверхъестественных сил, а подчинены закономерностям.

Затмение. В древности люди не знали, что является причиной затмений, но они подметили закономерности их повторения.

Несмотря на первые удачные попытки предсказаний движения небесных тел, большинство явлений природы казалось нашим предкам непредсказуемым. Извержения вулканов, землетрясения, бури, эпидемии и вросшие ногти на ногах — все это случалось вроде бы без всяких причин и закономерностей. В древности разрушительные явления природы обычно связывали с деятельностью вредных и злых божеств. Бедствия часто воспринимались как знак того, что люди чем-то прогневали богов. Например, около 5600 г. до н. э. вулкан Маунт-Мазама в Орегоне (США) начал извергаться, выбрасывая камни и горячий пепел. Это длилось на протяжении нескольких лет, вызывая обильные дожди, которые в конце концов заполнили кратер вулкана водой, образовав там озеро, нынешнее Крейтер-Лейк. У орегонских индейцев племени кламат есть легенда, в которой подробно описаны все геологические события, связанные с этим явлением, а также добавлено немного драматизма, чтобы представить виновником катастрофы человека. Присущее людям чувство вины таково, что им нужно лишь найти повод для самообвинения. Легенда говорит, что вождь Нижнего мира, Ллао, влюбился в прекрасную земную девушку, дочь вождя кламатов. Она отвергла его, и в отместку Ллао попытался уничтожить кламатов огнем. К счастью, согласно легенде, Скелл, вождь Верхнего мира, пожалел людей и сразился со своим подземным соперником. После битвы раненый Ллао скрылся в недрах горы Мазама, оставив за собой огромную яму — кратер, который впоследствии заполнился водой.

Не зная законов природы, древние люди вынуждены были придумывать богов, управлявших различными сторонами человеческой жизни. Были боги любви и войны, солнца, земли и неба, океанов и рек, дождя, грома и даже землетрясений и вулканов. Когда боги пребывали в хорошем настроении, они посылали людям благоприятную погоду, мир, оберегали их от стихийных бедствий и болезней. Когда же боги гневались, начинались засухи, войны, мор и эпидемии. Поскольку связь причины и следствия в природе оставалась невидимой для людских глаз, то боги казались им непостижимыми, и люди уповали на их милосердие. Но начиная с Фалеса Милетского (ок. 625 — ок. 546 до н. э.), то есть примерно 2600 лет назад, этот взгляд на мир стал меняться. Появилась мысль, что природа подчиняется незыблемым принципам, которые можно расшифровать. Так начался долгий процесс замены понятия о власти богов на концепцию Вселенной, управляемой законами природы и созданной по замыслу, который мы когда-нибудь сумеем разгадать.

По сравнению с продолжительностью истории человечества научное исследование представляет собой совершенно новый, недавно принятый подход. Люди зародились в Африке, к югу от Сахары, примерно за 200 ООО лет до нашей эры. Письменность появилась лишь около 7000 г. до н. э. Она возникла в обществах, занимавшихся культивированием зерна (некоторые из древнейших текстов касаются дневной нормы пива, дозволяемой каждому жителю). Самые ранние записи великой цивилизации Древней Греции восходят к IX веку до н. э., но расцвет этой цивилизации, ее «классический период», наступил несколько столетий спустя, начавшись около 500 г. до н. э. Согласно Аристотелю (384–322 до н. э.), примерно в это время Фалес впервые выдвинул идею о том, что мир можно понять, что сложные события вокруг нас можно свести к простым принципам и объяснить, не прибегая к мифологическим или теологическим толкованиям.

Принято считать, что Фалес первым предсказал солнечное затмение в 585 г. до н. э., хотя его предсказание получилась точным, вероятно, лишь по счастливой случайности. Он был скрытным человеком и не оставил о себе почти никаких свидетельств. Его дом являлся одним из интеллектуальных центров Ионии — области в Малой Азии, на восточном побережье Эгейского моря, которую заселили греки. Влияние Ионии постепенно распространилось от нынешней Турции на запад, вплоть до Италии. Ионийская наука с ее попыткой объяснить природные явления, открыть фундаментальные законы — гигантская веха в истории человеческой мысли. Ученые Ионии пытались рационально объяснить те или иные законы природы и во многих случаях пришли к заключениям, удивительно похожим на наши, сегодняшние, полученные с помощью иных, усложненных методов. Это было великое начало. Но несколько веков спустя о многих достижениях ионийской науки забыли и то, что уже было сделано, открывали и изобретали заново, иногда не один раз.

Иония. Ионийские ученые одними из первых стали объяснять природные явления законами природы, а не мифами или теологией.

Считается, что первая математическая формулировка того, что теперь мы могли бы назвать законом природы, принадлежит ионийцу Пифагору (ок. 580–490 до н. э.), прославившемуся теоремой, получившей его имя, которая гласит: квадрат гипотенузы (самой длинной стороны) прямоугольного треугольника равен сумме квадратов двух других его сторон (катетов). Считается, что Пифагор открыл численную зависимость между длиной струн музыкального инструмента и гармоническим рядом звуков. На современном языке мы бы описали это соотношение, сказав, что частота колебаний — количество вибраций в секунду — у струны, вибрирующей при фиксированном натяжении, обратно пропорциональна длине струны. С практической точки зрения это объясняет, почему более короткие гитарные струны дают более высокий тон, чем те, которые длиннее. Вполне вероятно, что на самом деле это открытие не принадлежит Пифагору (как и формулировка теоремы, носящей его имя), но есть свидетельства, что про определенную зависимость между длиной струны и высотой тона в его время было известно. А если так, то эту простую математическую формулу можно считать первым этапом того, что мы сегодня называем теоретической физикой.

Кроме закона Пифагора о струнах в правильном виде древним были известны лишь три закона, установленные Архимедом (ок. 287–212 до н. э.), который несомненно являлся самым выдающимся физиком Античности. В сегодняшней терминологии закон рычага гласит: малая сила может поднять большой вес потому, что рычаг увеличивает силу пропорционально отношению расстояний от точки опоры. Закон плавучести утверждает, что на любой предмет, погруженный в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости. А закон отражения устанавливает, что угол между падающим лучом света и зеркалом равен углу между зеркалом и отраженным лучом. Но Архимед не называл это законами, как и не обосновывал их ссылками на наблюдения и измерения. Вместо этого он относился к ним так, будто это были вполне очевидные математические теоремы типа аксиом, являющиеся частью системы, не требующей доказательств — весьма похожей на ту, что создал Евклид для геометрии.

По мере распространения ионийского влияния появлялись и другие ученые, понимавшие, что во Вселенной есть внутренний порядок, который можно распознать путем наблюдений и умозаключений. Анаксимандр (ок. 610 — ок. 546 до н. э.), друг и, возможно, ученик Фалеса, говорил: поскольку новорожденный человек беспомощен, то если бы первый человек каким-то образом появился на Земле младенцем, он бы не выжил. Своим, пожалуй, первым в истории человечества намеком на эволюцию Анаксимандр аргументировал, что люди должны были развиться из других животных, чьи детеныши более приспособлены к жизни.

На Сицилии Эмпедокл (ок. 483/84 — между 430 и 420 до н. э.) наблюдал, как используется клепсидра — устройство, иногда применявшееся в качестве черпака. Клепсидра представляет собой сферический сосуд с открытым горлышком и маленькими дырочками в днище. Когда ее погружали в воду, она наполнялась, а если горлышко затем закрывали, то клепсидру можно было вынуть из воды, и при этом вода из дырочек не вытекала. Эмпедокл заметил: если горлышко закрыть перед погружением, то клепсидра водой не наполняется. Из этого он заключил, что проникновению воды в сферу сквозь дырочки должно препятствовать нечто невидимое. Так он открыл материальную субстанцию, которую мы называем воздухом.

Примерно в то же время Демокрит (ок. 460 — между 380 и 370 до н. э.) из ионийской колонии в Северной Греции обдумывал, что же происходит, когда предмет разбивают или разрезают на части. Он утверждал, что этот процесс невозможно продолжать бесконечно. Демокрит высказал мысль о том, что все, включая живые существа, состоит из простейших частиц, которые более невозможно разрезать или разбить. Эти конечные частицы он назвал атомами — от греческого прилагательного, означающего «неделимый». Демокрит полагал, что любое материальное явление представляет собой результат столкновения атомов. По его теории, названной атомизмом, все атомы перемещаются в пространстве и, если их не трогать, могут двигаться по прямой бесконечно. Сегодня это называют законом инерции.

Революционную мысль, что мы лишь обычные обитатели Вселенной, а не особые существа, удостоенные чести находиться в ее центре, первым высказал Аристарх Самосский (ок. 310 — ок. 230 до н. э.), один из последних ученых Ионии. Из его расчетов уцелел лишь сложный геометрический анализ тщательно выполненных им наблюдений за величиной земной тени на Луне во время лунных затмений. Из этих данных Аристарх сделал вывод, что Солнце должно быть намного больше Земли. Возможно, вдохновленный идеей о том, что мелкие объекты должны вращаться вокруг огромных, а не наоборот, он стал первым, кто заявил, что Земля не представляет собой центра нашей планетной системы, а скорее она и прочие планеты вращаются вокруг гораздо более крупного Солнца. От понимания того, что Земля всего лишь одна из планет, оставался только шаг до мысли, что наше Солнце тоже не представляет собой ничего исключительного. Аристарх подозревал, что это именно так, и полагал, что звезды, которые мы видим на ночном небе, в действительности не что иное, как удаленные солнца.

Ученые Ионии были представителями одной из многих философских школ Древней Греции, имевших свои собственные традиции, зачастую противоречившие другим школам. К сожалению, подход ионийской школы к природным явлениям, состоявший в том, что их можно объяснить общими законами и свести к простому набору принципов, имел сильное влияние на протяжении всего лишь нескольких столетий. Одной из причин этого было то, что в ионийских теориях зачастую не находилось места для таких понятий, как «свобода воли» или «предназначение», либо для концепции об участии богов в делах мира. Эти поразительные упущения вызывали у многих греческих мыслителей столь же глубокое беспокойство, как и у многих людей сегодня. Философ Эпикур (341–270 до н. э.), например, выступал против атомизма на том основании, что «лучше следовать мифам о богах, чем стать „рабом“ удела натурфилософов». Аристотель тоже отвергал концепцию атомов, так как не мог допустить, что люди состоят из мертвых, неодушевленных объектов. Предположение ионийских ученых, что человек не является центром Вселенной, — это веха в нашем понимании космоса, но оно было отброшено и не подхвачено снова еще почти двадцать столетий, вплоть до Галилео Галилея.

Хотя большинство идей древних греков было столь же проницательно, как и некоторые их догадки о природе, в наши дни они не получили бы статуса действительно научных. Поскольку греки не разработали научного метода, их теории строились без расчета на экспериментальную проверку. Поэтому если один ученый утверждал, что атом движется по прямой, пока не столкнется с другим атомом, а другой ученый утверждал, что атом движется по прямой, пока не ударится в циклопа, то не было объективного пути уладить их спор. Не было также и четкого различия между физическими законами и законами человеческого существования. В V веке до н. э., например, Анаксимандр писал, что все сущее происходит из первовещества и возвращается в него же, чтобы «заплатить штраф и понести наказание за свои злодеяния». А ионийский философ Гераклит (ок. 540 — ок. 480 до н. э.) считал, что Солнце ведет себя так, а не иначе, потому что оно боится наказания богини справедливости. Несколько столетий спустя стоики (приверженцы греческой философской школы, возникшей примерно в III веке до н. э.) наконец провели границу между законами природы и нормами поведения людей, но к законам природы они отнесли и те нормы поведения людей, которые считали универсальными, например поклонение богам и послушание родителям. И наоборот, они часто описывали физические процессы юридическими терминами и полагали, что к исполнению физических законов следует принуждать, даже если объекты, которые должны «подчиняться» законам, являются неодушевленными. Но если уж людей трудно заставить соблюдать правила дорожного движения, то представьте себе, каково это — убедить астероид двигаться по эллипсу.

Эта традиция на протяжении еще многих столетий продолжала оказывать влияние на мыслителей, пришедших на смену грекам. В XIII веке христианский философ Фома Аквинский (ок. 1225–1274) принял такую же точку зрения и использовал ее для доказательства бытия Бога. Он писал: «Все в природе движется к своей конечной цели не случайно, а по какому-то намерению… И стало быть, имеется разумное существо, которое направляет все, что есть в природе, к конечной цели…» Даже уже в XVI веке великий немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571–1630) все еще полагал, что планеты способны воспринимать смысл и осознанно следуют законам движения, которые были усвоены их «умом».

Понимание того, что законам природы нужно осознанно повиноваться, отражает сосредоточенность древних мыслителей на том, почему природа ведет себя именно таким образом, как это имеет место быть, а не на том, как она себя ведет. Аристотель, отвергавший идею о науке, основанной преимущественно на наблюдении, был одним из главных сторонников такого подхода. В любом случае выполнение точных измерений и математических расчетов в древности было затруднительным. Позиционная десятичная система счисления, которую мы полагаем весьма удобной для арифметических вычислений, появилась лишь около 700 года, когда индийцы сделали первые значительные шаги к превращению этого способа в мощный инструмент. До XV века не было математических знаков плюс и минус. А знака равенства и часов, способных измерять время с точностью до секунды, не существовало вплоть до XVI века.

Однако Аристотель в измерениях и расчетах не видел препятствий для развития физики, которая могла бы давать количественные прогнозы. Скорее, он не считал нужным производить их. Вместо этого Аристотель построил свою физику на принципах, привлекавших его интеллектуально. Он отбрасывал факты, которые считал маловажными, и сосредотачивал свои усилия на причинах, в силу которых что-либо происходит, не уделяя достаточного внимания детальному выяснению того, что же именно происходит. Аристотель уточнял свои умозаключения только тогда, когда их вопиющее несоответствие наблюдениям уже нельзя было игнорировать. Но эти уточнения зачастую были объяснениями для какого-либо конкретного случая, позволявшими лишь сгладить противоречие. Таким образом, как бы сильно его теория ни отклонялась от реальности, в каждом отдельном случае он мог изменить ее настолько, чтобы создать видимость отсутствия конфликта. Например, его теория движения утверждала, что тяжелые тела падают с постоянной скоростью, пропорциональной их весу. Чтобы объяснить тот факт, что тела по мере падения явно набирают скорость, он придумал новый принцип, согласно которому тела, по мере того как они приближаются к своему естественному месту покоя, движутся более радостно и потому ускоряются. Сегодня подобный принцип выглядит более подходящим для описания людей, чем неодушевленных объектов. Хотя теории Аристотеля зачастую имели малую ценность для предсказаний, его подход к науке господствовал в западном мышлении почти две тысячи лет.

Христианские преемники греков отвергли мысль о том, что Вселенная управляется бездушными законами природы, а также то, что люди не занимают привилегированного места во Вселенной. И хотя в Средние века не было единой стройной философской системы, считалось, что Вселенная — это игрушечный домик Бога, а религия гораздо более достойна изучения, чем природные явления. И в самом деле, в 1277 году епископ Парижский Темпье, действуя по указанию Папы Римского Иоанна XXI, обнародовал список 219 заблуждений, или ересей, которые подлежали осуждению. Среди них была и мысль о том, что природа подчиняется своим законам. В список она попала за то, что противоречила суждению о всемогуществе Бога. Любопытно, что несколько месяцев спустя Иоанн XXI погиб из-за действия закона тяготения — на него обрушилась крыша его дворца.

Современное представление о законах природы появилось в XVII веке. Кеплер был, пожалуй, первым ученым, понимавшим этот термин в его современном значении, хотя, как мы уже сказали, он придерживался анимистического взгляда на физические объекты, то есть верил в их одушевленность. Итальянский естествоиспытатель Галилео Галилей (1564–1642) в большинстве своих научных работ не использовал термин «закон» (хотя он и появляется в некоторых переводах его трудов). Независимо оттого, употреблял он этот термин или нет, Галилей открыл великое множество законов и отстаивал важные принципы, считая, что наблюдения составляют основу науки и что цель науки — исследование количественных отношений, существующих между физическими явлениями. Но первым, кто четко и строго сформулировал понятие законов природы в нашем нынешнем представлении, стал французский ученый Рене Декарт (1596–1650).

Декарт полагал, что все физические явления следует объяснять в терминах столкновения движущихся масс, управляемых тремя законами — предтечами знаменитых ньютоновских законов движения. Он утверждал, что эти законы природы действуют всегда и везде, и категорично заявлял, что подчинение им не предполагает наличия разума у этих движущихся масс. Декарт также понял важность того, что мы сегодня называем начальными условиями. Они описывают состояние системы в начале какого-то интервала времени, на который намереваются сделать прогноз. При данном наборе начальных условий законы природы определяют, как система будет развиваться во времени, а вот без определенного набора начальных условий развитие предсказать невозможно. Если, например, в нулевой момент времени голубь прямо у вас над головой кое-что роняет, путь этого падающего объекта определяется законами Ньютона. Но результат будет совершенно разным в зависимости от того, сидел ли голубь в нулевой момент времени на телефонном проводе или летел со скоростью 20 миль в час. Чтобы применять физические законы, нужно знать, с чего система стартовала, или, по крайней мере, ее состояние в определенное время. (Законы могут быть также использованы и для прослеживания системы обратно во времени.)

«За время своего долгого царствования я понял: становится жарче».

С возобновленной верой в существование законов природы появились и новые попытки примирить эти законы с понятием о Боге. Согласно Декарту, Бог может по своей воле изменить истинность или ложность этических суждений или математических теорем, но не природу. Декарт полагал, что Бог установил законы природы, но не имел возможности их выбирать. Он взял их потому, что законы, которые мы ощущаем, являются единственно возможными. Такой подход мог показаться ущемлением могущества Бога, но Декарт обошел это затруднение, заявив, что законы нельзя изменить, потому что они — отражение внутренней природы Бога. Если это так, то можно было бы подумать, что Бог все-таки имел возможность сотворить множество различных миров, каждому из которых соответствовал бы собственный набор начальных условий. Но Декарт отверг и это. Независимо от того, каким было состояние материи при зарождении Вселенной, утверждал он, с течением времени образовался бы мир, идентичный нашему. Более того, Декарт понимал, что как только Бог привел мир в движение, то сразу же предоставил его самому себе.

Подобную позицию (с некоторыми отличиями) разделял английский физик и математик Исаак Ньютон (1643–1727). Благодаря своим трем законам движения и закону тяготения Ньютон обеспечил современному понятию научного закона повсеместное восприятие. Его законы используются для расчета орбит Земли, Луны и планет и объясняют такие явления, как приливы. Те немногие уравнения, которые он разработал, и детально развитая нами впоследствии на их основе математическая структура до сих пор преподаются и широко используются — проектирует ли архитектор здание, конструирует ли инженер автомобиль, выполняет ли физик расчеты параметров полета ракеты, которая должна достичь Марса. Как сказал английский поэт Александр Поуп:

Сегодня большинство ученых сказали бы, что закон природы — это правило, основанное на наблюдаемой повторяемости и обеспечивающее прогнозы, выходящие за пределы тех непосредственных ситуаций, на которых оно основывается. Например, мы могли бы заметить, что каждое утро в нашей жизни солнце восходит на востоке, и сформулировать закон: «Солнце всегда восходит на востоке». Это обобщение выходит за пределы наших ограниченных наблюдений восходящего солнца и дает проверяемый прогноз на будущее. С другой стороны, такое утверждение, как «Компьютеры в нашем офисе черные», не является законом природы, ибо относится только к компьютерам в пределах офиса и не дает прогнозов, подобных, например, такому: «Если наш офис купит новый компьютер, он будет черным».

Современное понимание термина «закон природы» является вопросом, который обсуждается философами на протяжении длительного времени, и это более тонкий вопрос, чем может показаться на первый взгляд. Например, современный американский философ Джон Кэрролл сравнил утверждение «У всех золотых шаров диаметр меньше мили» с утверждением «У всех шаров из урана-235 диаметр меньше мили». Наши наблюдения за окружающим миром свидетельствуют, что не существует золотых шаров поперечником больше мили, и мы можем быть вполне уверены, что их никогда не будет. И все же у нас нет основания полагать, что их не может быть вовсе, поэтому такое утверждение не считается законом. С другой стороны, утверждение «У всех шаров из урана-235 диаметр меньше мили» может считаться законом природы, так как, согласно нашим знаниям по ядерной физике, если шар из урана-235 достигнет размеров больше шести дюймов в диаметре, он сам себя уничтожит ядерным взрывом. Следовательно, мы можем быть уверены, что таких шаров не существует (а предложение попытаться сделать подобный шар нельзя отнести к хорошим идеям). Это важное различие, так как оно наглядно показывает, что не все обобщения, выведенные из наших наблюдений, можно считать законами природы и что большинство законов природы существует как часть более крупной системы взаимосвязанных законов.

В современной науке законы природы обычно выражаются математически. Они могут быть точными или приближенными, но должны основываться на проведенных наблюдениях и неукоснительно соблюдаться — если не всегда и везде, то, по крайней мере, при оговоренном перечне условий. Например, теперь мы знаем, что законы Ньютона должны быть изменены, если объекты перемещаются со скоростями, близкими к скорости света. И все же мы считаем, что законы Ньютона остаются законами, поскольку они соблюдаются, по крайней мере с хорошей степенью приближения, в условиях повседневной жизни, где мы имеем дело со скоростями много ниже скорости света.

Если природой управляют законы, то возникает три вопроса:

1) Каково происхождение этих законов?

2) Бывают ли исключения из этих законов, то есть чудеса?

3) Имеется ли только один набор возможных законов?

Эти важные вопросы в той или иной форме ставили перед собой ученые, философы и теологи. Традиционный ответ на первый вопрос — ответ Кеплера, Галилея, Декарта и Ньютона — состоял в том, что эти законы созданы Богом. Однако это не более чем определение Бога как воплощения законов природы. Если только не наделить Бога некоторыми другими признаками, например присущими Богу Ветхого Завета, то обращение к Богу для ответа на первый вопрос лишь заменяет одну загадку на другую. Поэтому если мы прибегаем к Богу, отвечая на первый вопрос, то со вторым вопросом, касающимся чудес, исключений из законов, — настоящая беда.

«Думаю, второй шаг вам нужно проработать глубже».

Мнения относительно ответа на второй вопрос резко разделились. Платон и Аристотель, самые влиятельные древнегреческие авторы, считали, что из законов не может быть исключений. Но если принять точку зрения Библии, то Бог не только создал законы — к нему можно воззвать в молитве с просьбой сделать исключение: вылечить смертельно больного, досрочно прекратить засуху или снова включить крокет в список олимпийских видов спорта. В противовес мнению Декарта почти все христианские мыслители утверждали, что Бог должен быть способен приостановить действие законов, чтобы совершать чудеса. Даже Ньютон верил в подобные вещи. Он считал, что орбиты планет должны быть нестабильны, поскольку гравитационное притяжение одной планеты к другой влечет за собой искажение орбит, которое со временем будет увеличиваться и приведет к тому, что планеты либо упадут на Солнце, либо улетят из Солнечной системы. Он полагал, что Бог должен постоянно поправлять орбиты — «заводить небесные часы, чтобы они шли без остановки». Однако французский математик и астроном Пьер Симон маркиз де Лаплас (1749–1827), более известный просто как Лаплас, утверждал, что подобные деформации орбит должны быть периодическими, то есть происходить в виде повторяющихся циклов, а не накапливаться. Таким образом, Солнечная система способна сама перезапускаться и нет нужды в Божественном вмешательстве для объяснения, почему она сохранилась по сей день.

Считается, что именно Лаплас первым четко сформулировал принцип научного детерминизма: учитывая состояние Вселенной в некое время, полный набор законов определяет как будущее, так и прошлое. Это исключало бы возможность чудес и активную роль Бога. Принцип научного детерминизма, сформулированный Лапласом, является ответом современного ученого на второй вопрос. Фактически этот принцип служит основой всей современной науки, и именно к нему привлекается внимание на протяжении всего нашего повествования. Научный закон не является таковым, если он выполняется только до тех пор, пока не решит вмешаться какое-либо сверхъестественное существо. Говорят, что Наполеон, признавая это, спросил Лапласа, как в такую картину вписывается Бог. Лаплас ответил: «Сир, я не нуждался в этой гипотезе». Поскольку люди живут во Вселенной и взаимодействуют с другими объектами в ней, то принцип научного детерминизма должен выполняться также и для людей. Однако многие, признавая, что физические процессы подчиняются принципу научного детерминизма, делают исключение для человеческого поведения, поскольку верят, что мы обладаем свободой воли. Декарт, например, чтобы сохранить идею о свободе воли, заявил, что человеческий разум — это нечто отличное от физического мира и не подчиняется его законам. По его мнению, человек состоит из двух частей — тела и души. Тело — это не что иное, как механизм, а вот душа не является предметом, имеющим отношение к научным законам.

Декарт очень интересовался анатомией и психологией и считал вместилищем души крошечный орган в мозге — эпифиз, или шишковидную железу. Он полагал, что именно в нем формируются все наши мысли, а значит, он и есть источник свободы воли.

Обладают ли люди свободой воли? Если у нас есть свобода воли, то на каком этапе эволюции она возникла? Есть ли свобода воли у синезеленых водорослей и бактерий, или же их поведение непроизвольно и они находятся во власти научных законов? Только ли многоклеточные организмы обладают свободой воли? Или лишь млекопитающие? Мы можем допустить, что свободу воли проявляет шимпанзе, когда решает перекусить бананом, или кошка, когда дерет ваш диван. Но что можно сказать о круглых червях Caenorhabditis elegans — простейших существах, состоящих всего из 959 клеток? Пожалуй, они никогда не подумают: «Чертовски вкусная бактерия попалась мне вон там давеча на обед», — но тем не менее и они тоже имеют определенные предпочтения в еде и либо согласятся на непривлекательную пищу, либо отправятся добывать что-нибудь повкуснее — в зависимости от недавнего опыта. Можно ли это считать проявлением свободы воли?

Хотя мы думаем, что способны делать осознанный выбор, наши познания в области молекулярных основ биологии свидетельствуют, что биологические процессы подчиняются законам физики и химии, а потому столь же детерминированы, как и орбиты планет. Недавние эксперименты в области неврологии подтверждают мнение о том, что наши поступки определяются нашим мозгом, который подчиняется известным научным законам, а не какой-то силе, существующей вне этих законов. Например, наблюдения за пациентами с поражением головного мозга показали, что путем электростимуляции соответствующих участков мозга можно вызвать у больного желание сделать движение кистью руки, плечом, ступней или открыть рот и что-то сказать. Трудно себе представить, как может проявляться свобода воли, если наше поведение определяется физическими законами. Поэтому, похоже, мы представляем собой не что иное, как биологические машины, а свобода воли просто иллюзия.

Если считать, будто поведение людей действительно подчиняется законам природы, то кажется разумным следующий вывод: результат определяется столь сложно и со столь многими вариациями, что делать какие-либо прогнозы практически невозможно. Для этого нужно знать начальное состояние каждой из тысячи триллионов триллионов молекул человеческого тела и решить такое же количество уравнений. Это займет не один миллиард лет, и мы несколько запоздаем уклониться от удара, который намеревается нанести нам стоящий рядом человек.

Поскольку крайне непрактично использовать для предсказания человеческого поведения основополагающие физические законы, мы придерживаемся так называемой эффективной теории. Эффективная теория в физике — это каркас, созданный, чтобы моделировать определенные наблюдаемые явления, не описывая в деталях лежащие в их основе процессы. Например, мы не можем точно решить уравнения, управляющие гравитационными взаимодействиями каждого атома в человеческом теле с каждым атомом Земли. Но для всех практических целей гравитационное взаимодействие человека с Землей можно описать всего лишь несколькими числами, — например, числом, определяющим массу тела человека. Мы также не можем решить уравнения, определяющие поведение сложных атомов и молекул, но мы разработали эффективную теорию под названием химия, которая дает достаточно полное объяснение того, как атомы и молекулы ведут себя в химических реакциях, без рассмотрения всех подробностей их взаимодействий. Поскольку мы не в состоянии решить уравнения, определяющие наше поведение, то применительно к человеку пользуемся эффективной теорией о том, что люди обладают свободой воли. Изучением нашей воли и зависящего от нее поведения занимается наука психология. Экономика — это тоже эффективная теория, основанная на понятии «свобода воли» и предположении о том, что люди оценивают возможные альтернативные способы действия и выбирают наилучший. Эта эффективная теория не всегда может предсказать поведение системы, потому что, как известно, решения зачастую нерациональны или основаны на ошибочном анализе последствий нашего выбора. Вот почему в мире такой кавардак.

Третий вопрос касается того, уникальны ли законы, определяющие поведение Вселенной и человека. Если на первый вопрос вы ответили, что законы создал Бог, то теперь спрашивается: было ли у Бога разнообразие при выборе этих законов? Аристотель, Платон и Декарт, а позднее и Эйнштейн полагали, что законы природы существуют «по необходимости», то есть потому, что они — единственные правила, имеющие логический смысл. Веря в изначальную логичность законов природы, Аристотель и его последователи понимали, что можно вывести эти законы, не обращая особого внимания на то, как в действительности ведет себя природа. Эта вера и акцент на вопросе, почему объекты подчиняются правилам, а не на том, каковы сами эти правила, привели Аристотеля к открытию преимущественно качественных законов, которые часто оказывались ошибочными и в любом случае были не особенно полезными, хотя и господствовали в научном мире много столетий. Уже гораздо позже такие люди, как Галилей, осмелились бросить вызов авторитету Аристотеля и стали наблюдать за действительным поведением природы, а не за тем, что велит ей делать «причина» как таковая.

Эта книга основывается на концепции научного детерминизма, который предполагает, что ответ на второй вопрос таков: не бывает чудес, то есть исключений из законов природы. Тем не менее мы вернемся ко второму и третьему вопросам, чтобы поглубже разобраться в том, откуда взялись законы природы и являются ли они единственно возможными. Но сначала, в следующей главе, мы рассмотрим, что же описывают законы природы. Большинство ученых сказали бы, что законы представляют собой математическое отражение внешней реальности, существующей независимо от наблюдателя, который ее видит. Но если мы задумаемся над способом, которым мы проводим наблюдения и которым формируем концепцию о том, что нас окружает, то есть ли у нас причина верить, будто объективная реальность существует?

3. Что такое реальность

В итальянском городе Монца несколько лет назад муниципальный совет запретил жителям держать золотых рыбок в шаровидных аквариумах. Инициатор этой меры объяснил запрет тем, что держать рыбку в сосуде с изогнутыми стенками жестоко, потому что, глядя наружу, рыбка видит искаженную картину реальности. Но откуда нам знать, видим ли мы сами истинную, а не искаженную картину реальности? Разве нельзя предположить, что и мы находимся внутри некоего большого искривленного аквариума и видим всё искаженным огромной линзой? Картина реальности с точки зрения золотой рыбки отличается от нашей, но можем ли мы утверждать, что она менее реальна, чем наша?

Золотая рыбка видит мир не таким, как мы, тем не менее она тоже могла бы сформулировать законы, управляющие движением предметов, которые видит за пределами своего аквариума. Например, свободно движущийся предмет, который для нас перемещается по прямой, для золотой рыбки движется по кривой вследствие искажения вида выпуклыми стенками аквариума. Тем не менее рыбка могла бы сформулировать научные законы в своей искаженной системе отсчета, и они всегда будут выполняться, что позволит предсказывать движение предметов вне аквариума. Эти законы будут сложнее, чем в нашей системе отсчета, но простота — дело вкуса. Если бы золотая рыбка сформулировала такую теорию, то нам пришлось бы признать ее видение реальности столь же правомерным, как наше.

Знаменитый пример различных картин реальности — модель, введенная около 150 года древнегреческим ученым Клавдием Птолемеем (ок. 90 — ок. 160) для описания движения небесных тел. Птолемей опубликовал свою работу в тринадцатитомном трактате, широко известном под его арабским названием «Альмагест» («Великая книга»), «Альмагест» начинается с объяснения причин, позволяющих считать Землю сферической, неподвижной, расположенной в центре Вселенной и ничтожно малой по сравнению с расстоянием до небес. Несмотря на существование гелиоцентрической модели Аристарха, взглядов Птолемея придерживалось большинство образованных греков, по крайней мере со времен Аристотеля, который по мистическим соображениям считал, что Земля должна находиться в центре Вселенной. В модели Птолемея неподвижная Земля расположена в центре, а планеты и звезды движутся вокруг нее по сложным орбитам, как колеса, катящиеся по колесам, — совершая движение по малому кругу (эпициклу), передвигающемуся по большому кругу в центре которого и находится Земля.

Вселенная Птолемея. Птолемей полагал, что мы находимся в центре Вселенной.

Такая модель казалась естественной, так как мы не чувствуем, что Земля у нас под ногами движется (разве что при землетрясениях или в моменты страсти). Впоследствии европейское обучение основывалось на сохранившихся греческих источниках, так что идеи Аристотеля и Птолемея стали в значительной степени основой для западной мысли. Птолемеева модель космоса была принята католической церковью и сохранялась как официальная доктрина в течение четырнадцати веков. Только в 1543 году появилась альтернативная модель, которую выдвинул польский астроном Николай Коперник (1473 — 1543) в своей книге «De revolutionibus orbium coelestium» («О вращениях небесных сфер»), опубликованной лишь в год его смерти (хотя разрабатывал он свою теорию в течение нескольких десятилетий).

Коперник, как и Аристарх почти за семнадцать веков до него, описал мир, в котором Солнце пребывало в покое, а планеты двигались вокруг него по круговым орбитам. Хотя идея была не нова, ее возрождение было встречено яростным сопротивлением. Модель Коперника сочли противоречащей Библии, ссылаясь на то, что в Библии говорится о движении планет вокруг Земли, хотя нигде в ней об этом четко не сказано. На самом же деле в то время, когда была написана Библия, люди считали, что Земля плоская. Модель Коперника вызвала ожесточенные дебаты о том, неподвижна ли Земля. Кульминацией этих дебатов стал в 1633 году суд над обвиненным в ереси Галилео Галилеем, который защищал модель Коперника и считал, «что допустимо иметь мнение и отстаивать его как возможное, после того как было установлено и объявлено, что оно противоречит Священному Писанию». Галилей был признан виновным, приговорен к пожизненному домашнему аресту и принужден высказать отречение от своих взглядов. По преданию, он прошептал: «Eppur si muove» («И все-таки она вертится»), В 1992 году Римско-католическая церковь наконец признала, что была не права в осуждении Галилея.

Так что же соответствует реальности — система Птолемея или Коперника? Нередко говорят, что Коперник доказал неправоту Птолемея, но это неверно. Как и в случае сравнения нашего нормального взгляда на мир со взглядом золотой рыбки, любая из двух картин может считаться моделью Вселенной, поскольку объяснить то, что мы наблюдаем на небе, можно, допуская неподвижность как Земли, так и Солнца. Помимо той роли, которую система Коперника сыграла в философских дебатах о природе нашей Вселенной, ее бесспорное преимущество уже в том, что в рамках системы с неподвижным Солнцем уравнения движения оказываются намного проще.

Альтернативная реальность другого типа представлена в фантастическом фильме «Матрица», где люди, сами того не осознавая, живут в смоделированной виртуальной реальности, созданной компьютерами с искусственным интеллектом для того, чтобы поддерживать людей умиротворенными и довольными, в то время как компьютеры подпитываются от них биоэлектрической энергией (кто его знает, что это такое!). Возможно, это не так уж далеко от реальности, поскольку многие из нас предпочитают проводить свое время в искусственно созданной реальности на веб-сайтах вроде «Second Life» («Вторая жизнь»). А как мы можем узнать, не являемся ли мы сами всего лишь персонажами в сериале, сочиненном компьютером, подобно герою Джима Кэрри в фильме «Шоу Трумана»? Если бы мы жили в искусственном, воображаемом мире, события необязательно были бы логически связанными, необязательно подчинялись бы законам. Инопланетянам, управляющим таким миром, было бы интереснее наблюдать за нашими действиями в такой, например, ситуации, когда полная Луна расколется пополам или когда всех сидящих на диете охватит неодолимая тяга к тортам с банановым кремом. Но если бы инопланетяне действовали строго по законам, то было бы невозможно определить, что существует другая реальность, скрытая за искусственно созданной. Мы с легкостью могли бы назвать мир, где живут инопланетяне, реальным, а мир, созданный с помощью компьютеров, — ложным. Но если, подобно нам, существа в искусственно созданном мире не могут взглянуть на свою вселенную со стороны, то у них не будет причины для того, чтобы усомниться в собственных картинах реальности. Таков современный вариант представления о том, что все мы являемся персонажами в чьем-то сне.

Эти примеры приводят нас к заключению, которое будет важным в данной книге: не существует концепции реальности, не зависящей от картины мира, или от теории. Мы же вместо этого примем точку зрения, которую станем называть моделезависимым реализмом, — идею о том, что любая физическая теория или картина мира представляет собой модель (как правило, математической природы) и набор правил, соединяющих элементы этой модели с наблюдениями. Это дает основу для интерпретации современных научных данных.

Начиная с Платона философы веками спорили о природе реальности. Классическая наука основывается на вере, что существует реальный внешний мир, свойства которого вполне определены и не зависят от наблюдателя, который их постигает. Согласно классической науке, в мире существуют объекты, у них есть физические свойства, такие как скорость и масса, которые обладают четко определенными значениями. С этой точки зрения наши теории представляют собой попытки описать эти объекты и их свойства, а наши измерения и восприятия соответствуют им. И наблюдатель, и наблюдаемый объект — части объективно существующего мира, и любое различие между ними не имеет решающего значения. Иными словами, если вы видите стадо зебр, дерущихся за место в гараже, это происходит потому, что это действительно стадо зебр, дерущихся за место в гараже. Все остальные наблюдатели увидят такие же свойства, а стадо будет иметь те же самые характеристики независимо от того, наблюдают за ним или нет. В философии эту веру называют реализмом. Хотя реализм может быть заманчивой точкой зрения, но, как мы увидим далее, то, что нам известно о современной физике, вызывает трудности в его отстаивании. Например, согласно принципам квантовой физики, которая является точным описанием природы, частица не имеет ни определенного положения, ни определенной скорости, до тех пор пока эти величины не измерены наблюдателем. Стало быть, неправильно утверждать, что измерение дает определенный результат только потому, что измеряемая величина имела это значение во время измерения. На самом деле в некоторых случаях отдельные объекты даже не существуют сами по себе, а существуют лишь как часть ансамбля. И если теория, называемая голографическим принципом, окажется верной, то мы вместе с нашим четырехмерным миром можем оказаться лишь тенью на границе большего, пятимерного, пространства-времени. В этом случае наше положение во Вселенной буквально аналогично положению золотой рыбки внутри аквариума.

Строгие реалисты часто утверждают: доказательство того, что научные теории отображают реальность, состоит в их успешном применении. Но другие теории могут столь же успешно описывать подобные явления через совершенно иные концептуальные схемы. Наделе многие научные теории, которые считались успешными, впоследствии были заменены другими столь же успешными теориями, основанными на совершенно иных концепциях реальности. Тех, кто не принимает реализма, обычно называли антиреалистами. Антиреалисты полагают, что есть различие между эмпирическим знанием и теоретическим. Они, как правило, заявляют: наблюдение и эксперимент значимы, а теории — это только полезные инструменты, которые не воплощают более глубоких истин, лежащих в основе наблюдаемых явлений. Некоторые антиреалисты даже хотели ограничить науку лишь тем, что доступно наблюдениям. Поэтому в XIX веке многие отвергали идею атомов на том основании, что мы никогда их не увидим. Английский философ Джордж Беркли (1685–1753) дошел даже до того, что заявил, будто не существует ничего, кроме сознания и мыслей. Когда один из друзей сказал английскому поэту и лексикографу доктору Сэмюэлу Джонсону (1709–1784), что утверждение Беркли невозможно опровергнуть, то в ответ Джонсон, как рассказывают, подошел к большому камню, пнул его и заявил: «Я опровергаю это». Конечно же, боль, которую доктор Джонсон ощутил в ноге, стала тоже лишь мыслью в его сознании, так что на самом деле идею Беркли он не опроверг. Но его действие проиллюстрировало точку зрения шотландского философа Дэвида Юма (1711–1776), который писал, что, хотя мы и не имеем рациональных оснований верить в объективную реальность, у нас все же не остается иного выбора, кроме как действовать так, будто она есть.

Моделезависимый реализм прекращает все эти споры и дискуссии между философскими школами реалистов и антиреалистов. Согласно моделезависимому реализму, не имеет смысла спрашивать, реальна или нет модель мира, важно одно: соответствует ли она наблюдениям. Если каждая из двух моделей соответствует наблюдениям (как картины мира золотой рыбки в аквариуме и наша), то нельзя сказать, что какая-то из них более реальна, чем другая. Можно использовать ту модель, которая удобнее в данной ситуации. Например, тому, кто оказался в сферическом аквариуме, больше подойдет модель мира золотой рыбки, а тому, кто снаружи, будет весьма затруднительно описывать события, происходящие в удаленной галактике, с точки зрения рыбки в аквариуме, который находится на Земле, тем более что аквариум будет двигаться, поскольку Земля перемещается по орбите вокруг Солнца и вращается вокруг своей оси.

«У вас много общего. Доктор Дэвис открыл частицу, которую никто никогда не видел, а профессор Хигби открыл галактику, которую тоже никто никогда не видел».

Мы создаем модели в науке, но также создаем их и в повседневной жизни. Моделезависимый реализм применим не только к научным моделям, но и к сознательным и подсознательным мысленным моделям, которые все мы создаем, чтобы интерпретировать и понять повседневность. Невозможно исключить наблюдателя — нас самих — из нашего восприятия мира, которое создается с помощью наших чувств и путем мышления и рассуждения. Наше восприятие (а следовательно, и наблюдения, на которых основываются наши теории) является не непосредственным, а формируется своего рода линзой — способностью человеческого мозга к интерпретации.

Моделезависимый реализм находится в соответствии с нашим восприятием объектов. Когда мы видим что-то, мозг получает последовательные сигналы через оптический нерв. Эти сигналы не формируют целого образа, подобного тому, какой вы видите на экране телевизора. Есть слепое пятно, где оптический нерв соединяется с сетчаткой, и единственная часть вашего поля зрения с хорошим разрешением — это узкая область примерно в один градус угла зрения вокруг центра сетчатки, область шириной с ваш большой палец, если смотреть на расстоянии вытянутой руки. Так что исходные данные поступают в мозг в виде сильно размытой картинки, да еще и с дырой в ней. К счастью, человеческий мозг обрабатывает эти данные, объединяя информацию, получаемую от обоих глаз, и заполняет пробелы, интерполируя в предположении о том, что визуальные свойства соседних участков схожи. Более того, он считывает двухмерную совокупность данных с сетчатки и создает из нее образ в трехмерном пространстве. Иными словами, мозг строит мысленную картину, или модель.

Мозг настолько искусен в построении моделей, что если бы у людей были очки, которые переворачивают изображение вверх ногами, то их мозг через некоторое время изменил бы модель так, что они снова стали бы видеть мир неперевернутым. Если затем снять очки, то мир некоторое время будет видеться перевернутым, а потом снова произойдет адаптация. Это значит, что когда говорят: «Я вижу стул», то имеют в виду лишь свет, рассеянный стулом для создания мысленного образа, или модели, стула. Если модель перевернута, то можно надеяться, что мозг скорректирует ее, прежде чем человек попытается сесть на этот стул.

Другой проблемой, которую моделезависимый реализм решает или, по крайней мере, избегает, является толкование существования. Откуда мне знать, существует ли еще стол, если я вышел из комнаты и не вижу его? И что значит, когда говорят, будто вещи, которые мы не можем увидеть, существуют, — например, электроны или кварки (частицы, составляющие протоны и нейтроны)? Можно пользоваться моделью, в которой стол исчезает, когда я выхожу из комнаты, и снова появляется на том же месте, когда я возвращаюсь, но такая модель будет непрочной — ведь как быть, если во время моего отсутствия что-то случится, например обвалится потолок? Как эта модель со столом, исчезающим после моего ухода из комнаты, сможет объяснить тот факт, что при моем следующем появлении в комнате там возникнет сломанный стол, а на нем — куски штукатурки? Модель, в которой стол остается в комнате, гораздо проще и согласуется с наблюдениями. Вот и весь разговор. В случае с субатомными частицами, которые мы не можем видеть, электроны представляют собой удобную модель, объясняющую такие явления, как треки в камере Вильсона и пятнышки света на телевизионной трубке, а также многие другие явления. Электрон был открыт в 1897 году британским физиком Дж. Дж. Томсоном (1856–1940) из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Он проводил опыты с электрическим током внутри пустых стеклянных трубок — это явление известно как катодные лучи. Опыты натолкнули его на смелую мысль о том, что таинственные лучи состоят из мельчайших корпускул, представляющих собой материальные элементы атомов, считавшихся в то время неделимыми фундаментальными единицами вещества. Томсон не видел электрон, и его догадка не была непосредственно или однозначно продемонстрирована в ходе опытов. Но предложенная им модель показала свою незаменимость в повсеместном применении — от фундаментальной науки до инженерных проектов, и сегодня все физики верят в электроны, несмотря на то что никто не может увидеть их.

Катодные лучи. Мы не можем увидеть отдельные электроны, но видим производимый ими эффект.

Кварки, которые мы также не можем увидеть, являются моделью для объяснения свойств протонов и нейтронов в ядре атома. Хотя считается, что протоны и нейтроны состоят из кварков, мы никогда не увидим кварка, поскольку сила, связывающая кварки, увеличивается при разделении, и поэтому отдельные, свободные, кварки в природе не могут существовать. Они объединены в группы из трех кварков (это протоны и нейтроны) или из кварка и антикварка (пи-мезоны) и ведут себя так, словно связаны резиновой лентой.

Вопрос о том, допустимо ли говорить, что кварки реально существуют, если невозможно выделить один кварк, обсуждался на протяжении нескольких лет, после того как впервые была предложена модель кварка. Представление о том, что определенные частицы состоят из разных комбинаций нескольких «суб-субъядерных частиц», привело к принципу, позволяющему дать простое и привлекательное объяснение их свойствам. Но, хотя физики привыкли признавать частицы, существование которых только предполагалось по статистическим всплескам в данных, относящихся к рассеянию других частиц, мысль о том, чтобы считать реальной частицу, которая в принципе ненаблюдаема, показалась многим выходящей за рамки допустимого. Однако годы спустя, когда модель кварков стала приводить ко все более точным предсказаниям, это сопротивление ослабло. Конечно, возможно, что какие-нибудь инопланетяне с семнадцатью руками, инфракрасными глазами и ушами, из которых разлетаются топленые сливки, проводили точно такие же опыты, что и мы, но объяснили полученные результаты, не прибегая к такому понятию, как кварк. Тем не менее, согласно моделезависимому реализму, кварки существуют в модели, которая совпадает с нашими наблюдениями за поведением субъядерных частиц.

Кварки. Концепция кварков — крайне важный элемент в наших теориях фундаментальной физики, несмотря на то что наблюдать отдельные кварки невозможно.

Моделезависимый реализм может дать основу для обсуждения вопросов, подобных вот такому: что происходило до создания мира, если он был создан конечное время назад? Христианский философ Августин Блаженный (354–430) считал, что ответ не в том, что Бог уготовил ад для людей, задающих подобные вопросы, а в том, что время — это свойство созданного Богом мира и его не существовало до сотворения мира, которое, по мнению философа, произошло не так уж давно. Это одна из возможных моделей, полюбившаяся тем, кто утверждает, будто расчет времени, данный в Книге Бытия, верен буквально, несмотря на то что в мире встречаются окаменелости и другие свидетельства, доказывающие, что мир намного старше. (Они что, были подброшены, чтобы дурачить нас?) Кто-то может придерживаться другой модели, согласно которой время длится уже 13,7 миллиарда лет, считая от Большого взрыва. Эта модель, объясняющая большинство наших нынешних наблюдений, включая исторические и геологические свидетельства, является лучшим из имеющихся представлений о прошлом. Она может объяснить и окаменелости, и данные радиоуглеродного анализа, и то, что до нас доходит свет от галактик, расположенных в миллионах световых лет от нас. Поэтому вторая модель — теория Большого взрыва — более приемлема для нас, чем первая. И все же ни одну из них нельзя считать более реальной.

Некоторые признают модель мира, в которой время существовало и до Большого взрыва. Пока неясно, насколько она лучше для объяснения нынешних наблюдений, поскольку представляется, что при Большом взрыве законы развития Вселенной могли кардинально измениться. Если это произошло, то нет смысла создавать модель, включающую в себя время до Большого взрыва, поскольку все, что существовало ранее, не имеет наблюдаемых последствий в настоящем, и поэтому мы можем твердо придерживаться идеи, рассматривающей Большой взрыв как акт творения мира.

Любая модель хороша, если она:

1) простая (или «изящная»);

2) содержит мало произвольных или уточняющих элементов;

3) согласуется со всеми существующими наблюдениями и объясняет их;

4) дает подробные предсказания результатов будущих наблюдений, которые могут опровергнуть эту модель или доказать ее ложность, если предсказания, сделанные по этой модели, не подтверждаются.

Например, теория Аристотеля о том, что мир состоит из четырех элементов — земли, воздуха, огня и воды — и что объекты действуют так, чтобы выполнить свое предназначение, была изящна и не содержала уточняющих элементов. Но во многих случаях она не могла дать четких предсказаний, а если и давала, то эти предсказания не согласовывались с наблюдениями. Одно из таких предсказаний гласило, что более тяжелые предметы должны падать быстрее, поскольку их предназначение — падать. И похоже, никто до Галилея не счел нужным проверить это. Известна история о том, как он проверял это, бросая предметы различной массы с «падающей» Пизанской башни. Рассказ, скорее всего, недостоверный, а вот точно известно, что Галилей скатывал разные грузы по наклонной плоскости и заметил, что вопреки предсказанию Аристотеля они движутся с одинаковым ускорением.

Приведенные выше критерии, очевидно, субъективны. Например, изящность не так легко измерить, но она высоко ценится среди ученых, поскольку законы природы предполагают экономное сжатие множества частных случаев в одну простую формулу. Изящество относится к форме теории, но оно тесно связано с отсутствием в ней уточняемых элементов, поскольку теория, напичканная выдуманными для каждого конкретного случая факторами, не очень изящна. Перефразируя Эйнштейна, можно сказать: теория должна быть простой настолько, насколько это возможно, но не проще. Птолемей добавил к круговым орбитам небесных тел эпициклы, чтобы его модель точно описывала их движение. Для еще большей точности можно было бы добавить эпициклы к эпициклам или даже еще один ряд эпициклов. Хотя дополнительное усложнение может сделать модель более точной, ученые рассматривают модель, которая искажена, чтобы соответствовать определенному набору наблюдений, как неудовлетворительную, более похожую на каталог данных, чем на теорию, которая может воплотить какой-нибудь полезный принцип.

В главе 5 мы увидим, что многие не считают изящной «стандартную модель», описывающую взаимодействие природных элементарных частиц. Эта модель гораздо удачнее, чем Птолемеевы эпициклы. Она предсказала существование нескольких новых частиц, прежде чем они были замечены, и с большой точностью описала будущие результаты многих экспериментов, проводившихся в течение нескольких десятилетий. Но она содержит десятки уточняющих параметров, значения которых должны устанавливаться, чтобы соответствовать наблюдениям, вместо того чтобы эти значения были определены самой теорией.

Что касается четвертого признака «хорошей» модели (способность предсказывать результаты будущих наблюдений), то, с одной стороны, ученых всегда впечатляет, когда новые ошеломительные предсказания оказываются точными, но, с другой стороны, когда модель оказывается неприемлемой, их обычная реакция — заявить, что эксперимент не удался. И даже если это не так, люди все равно зачастую не отказываются от модели, а пытаются сохранить ее путем модификаций. Хотя физики поистине упрямы в своих попытках спасти теорию, которой они восхищаются, попытки преобразовать ее доходят порой до того, что изменения становятся надуманными или громоздкими, а значит, лишенными изящества.

Если изменения, требующиеся для подгонки теории к новым наблюдениям, становятся чересчур изощренными, это сигнал о необходимости новой модели. Примером старой модели, не устоявшей под давлением новых наблюдений, служит идея о статичной Вселенной. В 1920-х годах большинство физиков полагали, что Вселенная статична, то есть не изменяется в размерах. Затем, в 1929 году, американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953) опубликовал свои наблюдения, показывающие, что Вселенная расширяется. Но Хаббл не наблюдал это расширение непосредственно. Он наблюдал свет, испускаемый галактиками. Этот свет обладает специфической характеристикой (спектром), связанной с составом каждой галактики. Если галактика движется относительно нас, этот спектр изменяется на известную величину. Поэтому, анализируя спектры удаленных галактик, Хаббл смог определить скорости их движения. Он полагал, что удаляющихся галактик будет обнаружено столько же, сколько и приближающихся. Но вместо этого оказалось, что почти все галактики удаляются от нас и чем дальше они находятся, тем быстрее движутся. Хаббл пришел к выводу, что Вселенная расширяется, но другие ученые, стараясь придерживаться прежней модели, пытались объяснить его наблюдения в контексте статичной Вселенной. Например, физик из Калифорнийского технологического института Фриц Цвикки (1898–1974) предположил, что по некой пока неизвестной причине свет, проходя огромные расстояния, может постепенно терять свою энергию. Это снижение энергии соответствовало бы изменению его спектра, что, по мнению Цвикки, могло повлиять на наблюдения Хаббла. Но и по прошествии десятилетий после исследований Хаббла многие ученые продолжали придерживаться теории о статичном состоянии Вселенной. Однако наиболее естественной моделью была та, которую предложил Хаббл, — модель расширяющейся Вселенной, она и стала общепринятой.

В поисках законов, которые управляют Вселенной, ученые рассмотрели ряд теорий, или моделей, таких как теория четырех элементов, модель Птолемея, теория флогистона, теория Большого взрыва и т. д. С каждой теорией, или моделью, наши представления о реальности и фундаментальных компонентах Вселенной менялись. Возьмем, к примеру, теорию света. Ньютон полагал, что свет состоит из мелких частиц, или корпускул. Это объясняло, почему свет распространяется прямолинейно, и этим же Ньютон воспользовался для объяснения того, почему свет, переходя из одной среды в другую, например из воздуха в стекло или же из воздуха в воду, изгибается, или преломляется.

Однако корпускулярная теория не могла объяснить явление, которое было обнаружено самим же Ньютоном и называется сегодня кольцами Ньютона. Поместите линзу на плоскую отражающую пластину и осветите ее монохромным светом, например от натриевой лампы. Глядя сверху вниз, вы увидите чередование светлых и темных колец с центром в точке соприкосновения линзы с поверхностью пластины. Этому явлению трудно дать объяснение в рамках корпускулярной теории света, но его можно объяснить с помощью волновой теории.

Рефракция. Ньютонова модель света могла объяснить, почему свет преломляется, переходя из одной среды в другую, но не давала объяснения явлению, которое теперь мы называем кольцами Ньютона.

Согласно волновой теории света, светлые и темные кольца вызваны явлением, которое называется интерференцией. Световые волны, так же как волны на воде, состоят из чередующихся гребней и впадин. Если при столкновении волн эти гребни и впадины совпадают, то они усиливают друг друга, образуя более крупную волну. Это называется конструктивной интерференцией. В таком случае говорят, что волны находятся в фазе. В противоположном случае, когда при встрече волн гребень одной волны совпадает со впадиной другой, волны гасят друг друга, и тогда говорят, что волны находятся в противофазе. Такое явление называется деструктивной интерференцией.

В кольцах Ньютона яркие кольца располагаются на таких расстояниях от центра, где промежуток между линзой и находящейся под ней отражающей поверхностью равен целому числу (1, 2, 3…) длин волн. Это означает, что волна, отраженная от линзы, совпадет с волной, отраженной от пластины, создавая конструктивную интерференцию. Темные кольца, в свою очередь, располагаются на таких расстояниях от центра, где промежуток между двумя отраженными волнами равен половинам целых длин волн (1/2, 3/2, 5/2…), что создает деструктивную интерференцию: волна, отраженная от линзы, гасит волну, отраженную от пластины.

В XIX веке это было воспринято как подтверждение волновой теории света и как свидетельство того, что корпускулярная теория неверна. Однако в начале XX века Эйнштейн показал, что фотоэлектрический эффект (теперь используемый в телевидении и цифровых фотоаппаратах) может быть объяснен тем, что частица, или квант света, ударяет по атому и выбивает из него электрон. Таким образом, свет ведет себя и как частица, и как волна.

Концепция волн, вероятно, пришла человеку в голову потому, что люди бросают в океан или в лужу камешки и наблюдают за тем, что происходит на поверхности воды. Действительно, если вы когда-нибудь бросали в лужу сразу два камешка, то, вероятно, видели интерференцию в действии, как на иллюстрации ниже. Подобные явления наблюдались и в других жидкостях, за исключением, пожалуй, вина, если выпито его слишком много. Идея о частицах была знакома по камням, гальке и песку. Но вот двойственность (волна-частица) — мысль о том, что объект может быть описан и как частица, и как волна, — чужда нашему повседневному опыту, подобно мысли о том, что можно выпить кусок камня.

Интерференция. Волны при встрече могут усилить или ослабить друг друга.

Подобные двойственности — ситуации, когда две разные теории точно описывают одно и то же явление, — вполне укладываются в рамки моделезависимого реализма. Каждая теория может описывать и объяснять определенные свойства, и ни об одной теории нельзя сказать, что она лучше или реальнее другой. Кажется, законы, управляющие Вселенной, похожи на это. Пожалуй, нет единой математической модели, или теории, которая могла бы описать Вселенную во всех ее проявлениях. Напротив, как уже упоминалось в главе 1, похоже, существует совокупность теорий, объединенных в так называемую М-теорию. Каждая теория этой системы пригодна для описания явлений в определенных границах. Там, где их границы перекрываются, разные теории этой системы согласуются друг с другом, так что о всех них можно сказать, что это части одной и той же теории. Но ни одна из теорий этой системы не может описать Вселенную во всех ее аспектах — все фундаментальные взаимодействия (силы) в природе, частицы, на которые воздействуют эти силы, и пространственно-временные рамки, в которых все это теряет смысл. Хотя такая ситуация не исполняет мечту традиционных физиков о единой объединенной теории, она приемлема в рамках моделезависимого реализма.

Интерференция в луже. Явление интерференции можно повседневно наблюдать в любых водоемах — от лужи до океана.

Мы еще обсудим двойственность и М-теорию в главе 5, но прежде вернемся к фундаментальному принципу, на котором базируется современный взгляд на природу квантовой теории, и, в частности, к тому подходу к квантовой теории, который называется «альтернативные истории». С этой точки зрения Вселенная имеет не единственное существование, или историю, а все возможные версии Вселенной существуют одновременно в так называемом квантовом наложении, квантовой суперпозиции. Это может показаться столь же странным, как пример со столом, который исчезает, когда мы выходим из комнаты, но в отношении этого случая следует сказать, что квантовая теория выдержала все экспериментальные проверки, которым когда-либо подвергалась.

4. Альтернативные истории

В 1999 году группа австрийских физиков провела эксперимент по обстрелу некой преграды серией молекул, структура которых напоминает рисунок на поверхности футбольного мяча. Эти молекулы, из шестидесяти атомов углерода каждая, иногда называют бакиболами или фуллеренами — в честь американского архитектора Бакминстера Фуллера (1895–1983), который строил здания подобной конструкции. Так называемые геодезические купола Фуллера представляют собой, пожалуй, крупнейшие объекты со структурой футбольного мяча. Бакиболы же — наименьшие из таких объектов. В преграде, на которую ученые их направили, имелось две щели, сквозь которые бакиболы могли пролететь. Позади преграды физики расположили своего рода экран для обнаружения и подсчета проскочивших молекул.

Бакиболы. Бакиболы похожи на микроскопические футбольные мячи, состоящие из атомов углерода.

Если мы поставим аналогичный эксперимент с настоящими футбольными мячами, нам понадобится игрок — не особенно меткий, но способный весьма продолжительное время бить по возникающим перед ним мячам с заданной нами скоростью. Мы расположим этого игрока перед преградой — стенкой, в которой имеется два вертикальных проема. Позади стенки (параллельно ей) натянем очень длинную сетку. Большинство посланных игроком мячей попадет в преграду и отскочит обратно, но некоторые пролетят сквозь тот или другой проем и попадут в сетку. Если проемы будут лишь чуточку больше мяча, то по другую сторону стенки-преграды возникнут два строго параллельных потока. Если же проемы немного расширить, каждый из потоков будет слегка расходиться (см. ил., с. 72).

Футбол через стенку-преграду с двумя проемами. Когда футболист посылает мячи через проемы в стенке, мы можем наблюдать обычную картину.

Если мы закроем один из проемов, то соответствующий ему поток мячей не сможет пролетать через преграду, однако это никак не повлияет на другой поток. Если мы снова откроем тот проем, который был закрыт, это лишь увеличит число мячей, приземлившихся в любой избранной точке по другую сторону стенки, поскольку это будут все мячи, прошедшие через остававшийся открытым проем, плюс другие мячи, прошедшие через вновь открытый проем. Иными словами, если одновременно открыть два проема, мы увидим сумму тех мячей, которая появилась бы за преградой в том случае, когда мы открывали бы поочередно каждый из проемов. Такова реальность, к которой мы привыкли в повседневной жизни. Совсем иную картину увидели австрийские исследователи, когда вели обстрел своими молекулами.

В австрийском эксперименте открытие второго проема действительно увеличивало число молекул, попадавших на определенный участок экрана, но при этом уменьшало их число на другом участке (см. ил., с. 73).

Бакибольный футбол через двухщелевую преграду. Когда молекулы-«мячи» пролетают сквозь щели, на экране появляется узор, соответствующий какому-то квантовому закону.

Фактически были точки, куда бакиболы вообще не попадали, когда были открыты обе щели, но они попадали туда, если открытой оставалась лишь одна из щелей. Это должно выглядеть весьма странным. Как может открытие второй щели уменьшить число молекул, попадающих в определенную точку?

Чтобы получить ключ к ответу, изучим всё детально. В этом эксперименте многие из молекулярных «мячей» попали в пятно, центр которого располагался на полпути между теми местами, куда можно было ожидать попадания мячей, пролетевших через ту и другую щели. В места, расположенные чуть дальше от этой центральной точки, попадало очень мало молекул, но еще чуть дальше снова наблюдалось скопление молекул, прошедших через щель. Этот узор не является суммой узоров, полученных, когда каждая щель открывалась отдельно, но он напоминает картину, характерную для интерферирующих волн, показанную на иллюстрации в главе 3. Участки, куда молекулы не попадали, соответствуют областям, в которые волны, исходящие из двух щелей, приходили в противофазе и создавали деструктивную интерференцию; участки же, куда попадало много молекул, соответствовали областям, которых волны достигали в одинаковой фазе и создавали конструктивную интерференцию.

В течение первых двух тысяч лет развития научной мысли основой для теоретических объяснений служили повседневный опыт и интуиция. По мере того как мы развивали технические устройства и расширяли с их помощью диапазон явлений, доступных нашим наблюдениям, мы стали замечать, что поведение природы все меньше и меньше соответствует нашему повседневному опыту и нашей интуиции, о чем, например, свидетельствует эксперимент с бакиболами. Этот эксперимент типичен для явлений, которые не может объяснить классическая наука, но которые описываются квантовой физикой. Ричард Фейнман считал, что эксперимент с использованием преграды с двумя щелями, подобный описанному выше, «заключает в себе всю тайну квантовой механики».

Принципы квантовой физики были разработаны в первые десятилетия XX века, после того как теорию Ньютона сочли недостаточной для описания природы на атомном и субатомном уровнях. Фундаментальные физические теории описывают силы природы и то, как объекты реагируют на них. Классические теории, такие как теория Ньютона, построены на основе повседневного опыта, где материальные объекты существуют индивидуально, могут располагаться в определенных местах, следуют строго определенным траекториям и т. д. Квантовая физика дает основу для понимания того, как природа действует на атомном и субатомном уровнях, но, как мы расскажем более подробно в дальнейшем, она диктует совершенно иную концептуальную схему — такую, в которой положение объекта, его путь и даже его прошлое и будущее точно не определены. Квантовые теории таких сил, как гравитационная или электромагнитная, построены именно на этой основе.

Могут ли теории, построенные на основе, столь чуждой повседневному опыту, объяснить присущие ему явления, которые столь точно были смоделированы классической физикой?

Оказывается, могут, поскольку и мы, и всё, что нас окружает, это составные объекты, то есть структуры, состоящие из невообразимо большого количества атомов, — этих атомов больше, чем звезд в обозримой части Вселенной. И хотя все эти атомы подчиняются принципам квантовой физики, можно продемонстрировать, что их крупные совокупности, слагающие футбольные мячи, морковки, аэробусы и нас самих, конечно же сумеют избежать дифракции при прохождении через проемы. Поэтому, хотя компоненты обычных объектов и подчиняются квантовой физике, законы Ньютона представляют собой эффективную теорию, которая с высокой точностью описывает поведение сложных структур, образующих наш повседневный мир.

Это может показаться странным, но в науке есть много случаев, когда поведение крупного образования выглядит отличающимся от поведения его индивидуальных компонентов. Реакции одного нейрона едва ли такие же, как у человеческого мозга в целом, а знание свойств молекулы воды вряд ли много расскажет вам о поведении озера. В случае квантовой физики ученые и по сей день работают над тем, чтобы подробно выяснить, как законы Ньютона проистекают из квантовой области. Нам известно лишь, что составляющие элементы всех объектов подчиняются законам квантовой физики, а законы Ньютона представляют собой хорошее приближение для того, чтобы описать, как ведут себя макроскопические объекты, состоящие из таких квантовых компонентов.

Именно поэтому прогнозы теории Ньютона совпадают с нашим видением реальности, которое мы все развиваем по мере знакомства с окружающим миром. Но образ действия отдельных атомов и молекул кардинально отличается от того, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни. Квантовая физика представляет собой новую модель реальности, дающую нам иную картину Вселенной. Это картина, в которой многие понятия, основополагающие для нашего интуитивного понимания реальности, больше не имеют значения.

Впервые эксперимент с двухщелевой преградой провели в 1927 году американские физики-экспериментаторы Клинтон Дэвиссон (1881–1958) и Лестер Джермер (1896–1971) из компании «Белл Лабз». Они изучали, как пучок электронов — объектов, которые гораздо проще, чем бакиболы, — взаимодействует с кристаллом никеля. То, что материальные частицы, электроны, ведут себя подобно волнам на воде, оказалось поразительным экспериментом, который вдохновил квантовую физику. Поскольку на макроскопическом уровне такое поведение не наблюдалось, ученые долго не могли понять, насколько большим и сложным должно быть нечто, чтобы оно все еще продолжало проявлять подобные волновые свойства. Если бы эффект удалось продемонстрировать, используя людей или гиппопотамов, это вызвало бы настоящую сенсацию, но, как мы уже сказали, чем больше объект, тем, как правило, менее очевидными и менее устойчивыми становятся квантовые эффекты. Поэтому вряд ли какое-нибудь животное в зоопарке сможет пройти, подобно волне, сквозь железные прутья клетки. И все же физики-экспериментаторы стали наблюдать волновые свойства у все более крупных «частиц». Ученые надеются когда-нибудь повторить эксперимент с бакиболами, используя вирус, который не только гораздо больше по размерам, но и рассматривается некоторыми как живое существо.

Есть всего несколько аспектов квантовой физики, необходимых для того, чтобы понять рассуждения, которые мы приведем в последующих главах. Одна из основных особенностей — двойственная природа (дуализм) волны-частицы. То, что материальная частица ведет себя подобно волне, удивило всех. То, что свет ведет себя как волна, уже не удивляет никого. Волноподобное поведение света кажется нам естественным и считается общепринятым фактом на протяжении уже почти двух веков. Если в упомянутом выше эксперименте направить луч света на две щели, то появятся две волны, которые и встретятся на экране. В каких-то точках их гребни или впадины совпадут, образовав яркое пятно, а в других местах гребни одной волны наложатся на впадины другой, поглотив их и образовав темный участок. В начале XIX века английский физик Томас Юнг (1773–1829) провел этот эксперимент (известный теперь как опыт Юнга) и убедил всех, что свет — это волна и он не состоит из частиц, как считал Ньютон.

Хотя некоторые могли сделать вывод, что Ньютон был не прав, говоря, что свет — это не волна, но все же он был прав, говоря, что свет может действовать так, как если бы он состоял из частиц. Сегодня мы называем эти частицы фотонами. Как мы состоим из большого числа атомов, так и свет, который мы видим в повседневной жизни, состоит из великого множества фотонов, — даже одноваттный ночник излучает миллиард миллиардов фотонов в секунду. Одиночные фотоны обычно незаметны, но в лаборатории можно создать весьма слабый луч света, состоящий из потока одиночных фотонов, которые мы сможем обнаруживать индивидуально, точно так же, как мы обнаруживаем одиночные электроны или бакиболы. И мы можем повторить опыт Юнга, используя настолько разреженный луч, что фотоны будут достигать преграды поодиночке, с интервалом в несколько секунд. Если мы сделаем это, а потом сложим все отдельные попадания, зафиксированные на расположенном за преградой экране, то обнаружим, что вместе они создают точно такой же интерференционный узор, какой возник бы в том случае, если бы мы провели опыт Дэвиссона — Джермера, но обстреливали бы экран электронами (или бакиболами) поштучно. Для физиков это было потрясающим открытием: если отдельные частицы интерферируют сами с собой, то волновая природа света является свойством не только луча, или большого скопления фотонов, но и отдельной частицы.

Опыт Юнга. Узор, возникающий в эксперименте с бакиболами, был известен из волновой теории света.

Еще одним из основных принципов квантовой физики является принцип неопределенности, который в 1926 году сформулировал немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976). Принцип неопределенности говорит о том, что существуют пределы наших возможностей одновременного измерения определенных величин, таких как положение и скорость частицы. Например, согласно принципу неопределенности, если вы умножаете неопределенность положения частицы на неопределенность ее импульса (произведения массы на скорость), то результат не может бьггь меньше некой фиксированной величины, которую называют постоянной Планка. Это звучит как сложная скороговорка, но суть ее может быть выражена просто: чем точнее вы измеряете скорость, тем менее точно можете измерить положение, и наоборот. Например, если вы вдвое уменьшаете неопределенность положения, то вам придется вдвое увеличить неопределенность скорости. Также важно отметить, что по сравнению с обычными единицами измерения, такими как метры, килограммы и секунды, постоянная Планка очень мала. Действительно, если выразить ее в этих единицах, то значение составит примерно 6/10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. В результате, если вы засечете местоположение макроскопического объекта, например футбольного мяча массой в треть килограмма, с точностью до одного миллиметра в каждом направлении, мы все еще сможем измерить его скорость с точностью гораздо большей, чем одна миллиардная миллиардной от одной миллиардной километра в час. Это потому, что измеренная в таких единицах масса футбольного мяча равна 1/3, а неопределенность положения 1/1000. Ни того ни другого не достаточно, чтобы привести ко множеству нулей в постоянной Планка, так что эта роль достается неопределенности в скорости. Но в тех же единицах масса электрона составляет 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 001, поэтому с электронами дело обстоит совершенно по-другому. Если мы измеряем положение электрона с точностью, примерно соответствующей размеру атома, то принцип неопределенности устанавливает, что мы не можем узнать скорость электрона более точно, чем примерно плюс-минус 1000 километров в секунду, что уж никак не назовешь очень точным.

«Если это действительно так, то все, что мы принимали за волну, на самом деле было частицей, а все, что мы принимали за частицу, было волной».

Согласно квантовой физике, независимо от того, сколько информации мы получаем или сколь велики наши вычислительные способности, результаты физических процессов не могут быть предсказаны однозначно, потому что они не имеют однозначной определенности. Наоборот, учитывая данное начальное состояние системы, Природа определяет свое будущее состояние посредством процесса, который существенно неоднозначен. Иными словами, Природа не диктует результат какого-либо процесса или эксперимента даже в простейших ситуациях. Скорее, она предоставляет много различных возможностей, каждая из которых может реализоваться с той или иной степенью вероятности. Это, перефразируя Эйнштейна, как если бы Бог бросал игральные кости, прежде чем решить, каким будет результат каждого физического процесса. Такая идея беспокоила Эйнштейна, и даже будучи одним из отцов квантовой физики, он впоследствии начал критиковать этот взгляд.

Может показаться, будто квантовая физика подрывает саму идею о том, что Природа управляется законами, но дело обстоит не так. Просто это ведет нас к принятию новой формы детерминизма: данное состояние системы в некоторый момент времени и законы природы определяют вероятности различных вариантов будущего и прошлого, но не определяют будущее и прошлое строго однозначно. Ученые, несмотря на то что кому-то это не по вкусу, должны придерживаться тех теорий, которые согласуются с экспериментом, а не с их собственными предвзятыми понятиями.

Возможность проверки — вот что должна требовать наука от теории. Если бы вероятностная природа предсказаний в квантовой физике означала, что подтвердить предсказания невозможно, то квантовые теории не считались бы правомерными. Но несмотря на вероятностную природу их предсказаний, мы все же можем выполнять проверку квантовых теорий. Например, мы можем повторить эксперимент много раз и подтвердить, что частота разных результатов совпадает с предсказанной вероятностью. Вернемся к опыту с бакиболами. Квантовая физика говорит нам, что никакой объект никогда не располагается в определенной точке, потому что, будь это так, неуверенность в импульсе равнялась бы бесконечности. Фактически, согласно квантовой физике, каждая частица имеет некоторую вероятность быть обнаруженной где угодно во Вселенной. Так что даже если шанс обнаружить данный электрон внутри двухщелевого устройства весьма высок, всегда будет сохраняться шанс, что этот электрон может оказаться на обратной стороне звезды альфа Центавра или внутри запеканки, приготовленной в столовой у вас на работе. В результате, если вы ударите по квантовому бакиболу, отправив его в полет, никакая ловкость и никакие знания не помогут вам заранее сказать, где точно он приземлится. Но если вы повторите этот эксперимент многократно, то полученные вами данные покажут вероятность нахождения «мяча» в разных местах и можно будет утверждать, что результаты проведенных опытов согласуются с предсказаниями теории.

Важно осознавать, что вероятности в квантовой физике не похожи на вероятности в Ньютоновой физике или в повседневной жизни. Мы можем понять это, сравнив узоры, созданные непрерывным потоком бакиболов, летящих к экрану, с узором из ямок, оставленных на мишени для игры в дартс дротиками, которыми игроки целились в «яблочко». Если игроки не перебрали пива, то шансы каждого дротика попасть в центр наибольшие, но они уменьшаются, если игрок отдаляется от мишени. Как и в случае с бакиболами, каждый дротик может попасть куда угодно, и через некоторое время на мишени появится узор из ямок, отображающий эту вероятность. В повседневной жизни про данную ситуацию мы могли бы сказать, что дротик имеет определенную вероятность попасть в разные точки; но если мы скажем так, то, в отличие от случая с бакиболами, лишь потому, что не полностью знаем условия в момент броска. Наше описание можно улучшить, если иметь точные сведения об особенностях того, как игрок бросает дротик: под каким углом, с каким вращением, скоростью и т. д. В принципе тогда мы могли бы с любой необходимой для нас точностью предсказать, куда попадет дротик. Поэтому использование нами вероятностных терминов для описания результатов событий, наблюдаемых в повседневной жизни, отражает не внутреннюю природу процесса, а только недостаток наших знаний о некоторых его аспектах.

В квантовой физике вероятности не таковы. В квантовой физике они отражают фундаментальную неупорядоченность природы. Квантовая модель природы содержит в себе принципы, противоречащие не только нашему повседневному опыту, но и нашему интуитивному пониманию реальности. Те, кто считает данные принципы фантастическими и для кого в них трудно поверить, попали в хорошую компанию, оказавшись вместе с такими великими физиками, как Эйнштейн и даже Фейнман, чье описание квантовой теории мы представим далее. Действительно, Фейнман однажды написал: «Думаю, я могу с уверенностью сказать, что квантовую механику не понимает никго». Но квантовая физика согласуется с наблюдениями. Она всегда выдерживала проверки, а проверяли ее больше, чем любую другую научную теорию.

В 1940-х годах американского физика Ричарда Фейнмана осенила потрясающая догадка относительно разницы между квантовым и Ньютоновым мирами. Фейнман заинтересовался, как появляется интерференционный узор в эксперименте с двухщелевой преградой. Напомним, что узор, который образуется, когда мы стреляем молекулами при обеих открытых щелях, не является суммой узоров, возникающей, если эксперимент провести дважды: открыв первый раз одну из щелей, а второй раз другую. Вместо этого при обеих открытых щелях мы обнаруживаем чередование светлых и темных полос. Темные полосы — это области, куда частицы вообще не попадают. Значит, частицы, которые попали бы в это место, если открыта, скажем, только левая щель, не попадают туда, если открыты обе щели. Похоже, будто в неком месте на пути от источника к экрану частицы получают информацию об обеих щелях. Такое поведение частиц резко отличается от поведения предметов в повседневной жизни, когда мяч пролетел бы через одну из щелей независимо от того, открыта вторая или нет.

Согласно Ньютоновой физике (и согласно тому, как выглядел бы эксперимент, выполненный с футбольными мячами, а не с молекулами), каждая частица следует от источника к экрану по единственному, строго определенному маршруту. Эта картина лишена «объезда», при котором частица на пути к цели могла бы посетить окрестности каждой из щелей. Согласно же квантовой модели, частица считается не имеющей определенного положения в течение времени, пока она находится между начальной и конечной точками. Фейнман понял, что не нужно интерпретировать это так, будто частицы не имеют маршрута при своем перемещении от источника до экрана. Напротив, это может означать, что частицы следуют по всем возможным траекториям, соединяющим эти точки. Вот это, заявил Фейнман, и отличает квантовую физику от Ньютоновой. Состояние обеих щелей имеет значение, потому что частицы летят не по единственной определенной траектории, а по всем возможным траекториям и делают это одновременно! Звучит как научная фантастика, но это вовсе не фантастика. Фейнман сформулировал математическое выражение (фейнмановскую сумму по историям), отражающее эту идею и воспроизводящее все законы квантовой физики. В теории Фейнмана математическая и физическая картины отличаются от первоначальной формулировки квантовой физики, но предсказания остаются теми же.

Применительно к двухщелевому эксперименту идеи Фейнмана означают, что частицы движутся по траекториям, проходящим только через левую щель или только через правую щель; что частицы, пролетевшие сквозь левую щель, возвращаются через правую, а потом снова пролетают через левую; что по пути домой они посещают ресторан, где подают замечательные креветки с карри, а потом делают несколько оборотов вокруг Юпитера; что траектории частиц могут далее пролегать туда и обратно через всю Вселенную. По мнению Фейнмана, это объясняет, как частица получает информацию о том, которая из двух щелей открыта, — если щель открыта, частица проходит через нее. Когда открыты обе щели, траектории, по которым частица движется сквозь одну щель, могут накладываться на траектории, по которым она движется сквозь другую щель, что и вызывает интерференцию. Это может показаться безумием, но для задач современной фундаментальной физики (как и для задач этой книги) формулировка Фейнмана оказалась более подходящей, чем первоначальная.

Фейнмановский взгляд на квантовую реальность крайне важен для понимания теорий, которые мы представим далее, поэтому стоит потратить немного времени, чтобы ощутить, как все это работает. Представьте себе простой процесс, в котором частица начинает свой путь в какой-то точке А и свободно движется. В Ньютоновой модели эта частица будет двигаться по прямой.

Траектории частицы. Фейнмановская формулировка квантовой теории дает картину, объясняющую, почему частицы — такие как бакиболы и электроны, — проходя через двухщелевую преграду, образуют на экране интерференционный узор.

Через некоторое точно определенное время мы обнаружим частицу именно в некоторой точке В, расположенной на этой линии. В фейнмановской модели квантовая частица «пробует» каждую траекторию, соединяющую точки А и В, собирая для каждой траектории числа, называемые фазой. Фаза отображает местоположение в цикле волны, то есть находится ли волна в положении гребня или впадины либо в каком-то промежуточном состоянии между ними. Математическое выражение, предложенное Фейнманом для расчета этой фазы, показало: если сложить вместе волны по всем траекториям, получится правильная вероятность того, что частица, начав свой путь в точке А, достигнет точки В.

Фазу, которую каждая отдельная траектория вносит в фейнмановскую сумму (а следовательно, в вероятность движения из точки А в точку В), можно изобразить в виде стрелки, имеющей фиксированную длину, а указывать стрелка может в любом направлении. Чтобы сложить две фазы, вы приставляете стрелку, соответствующую одной фазе, к концу стрелки, соответствующей другой фазе, и получаете новую стрелку, представляющую собой сумму. Чтобы прибавить дополнительные фазы, нужно просто продолжить этот процесс. Заметьте: когда фазы совпадают по направлению, суммарная стрелка может оказаться довольно длинной. Если они указывают в разные стороны, то имеют тенденцию при сложении гасить друг друга, и от стрелки может не остаться почти ничего. Эта идея проиллюстрирована ниже.

Сложение фейнмановских траекторий. Эффекты из-за различных фейнмановских траекторий могут усиливать или ослаблять друг друга точно так же, как это делают волны. Желтые стрелки — складываемые фазы. Голубые — сумма траекторий (от хвоста первой стрелки до острия последней). Ниже стрелки направлены по-разному, поэтому сумма траекторий очень короткая.

Чтобы выполнить требование Фейнмана для расчета вероятности, с которой частица, вылетевшая из точки А, прилетит в точку В, нужно сложить все фазы, или стрелки, относящиеся к каждой траектории, соединяющей точки А и В. Таких траекторий бесконечное множество, что несколько усложняет математические вычисления, тем не менее результат достижим. Некоторые из путей показаны на рисунке ниже.

Теория Фейнмана дает особенно ясное понимание того, каким образом Ньютонова картина мира проистекает из квантовой физики, которая кажется весьма отличающейся от нее. Согласно теории Фейнмана, фазы, связанные с каждой траекторией, зависят от постоянной Планка. Поскольку постоянная Планка очень мала, то, когда вы суммируете вклады от близких друг к другу траекторий, фазы обычно очень сильно различаются, и поэтому их сумма стремится к нулю (см. ил., с. 88).

Траектории от точки А до точки В. «Классическая» траектория между двумя точками — прямая линия. Фазы траекторий, близких к классической, имеют тенденцию усиливать друг друга, тогда как для фаз удаленных траекторий характерно взаимное ослабление.

Но теория также показывает, что существуют определенные траектории, для которых фазы имеют тенденцию выстраиваться в линию, и потому эти траектории предпочтительны, то есть они дают больший вклад в наблюдаемое поведение частицы. Получается, что для больших объектов траектории, очень близкие к траекториям, предсказанным теорией Ньютона, имеют схожие фазы и суммируются друг с другом, давая гораздо больший вклад в итоговую величину. Поэтому единственным назначением, имеющим вероятность гораздо больше нуля, является направление, предсказываемое теорией Ньютона, а это направление имеет вероятность, очень близкую к единице. Следовательно, большие объекты движутся именно так, как им предписывает теория Ньютона.

До сих пор мы обсуждали идеи Фейнмана в контексте эксперимента с двухщелевой преградой. В том эксперименте частицами обстреливалась преграда в виде стенки со щелями, а на расположенном за преградой экране мы могли определять, в какие места они попадают. Говоря в целом, теория Фейнмана позволяет нам предсказать вероятное поведение не только одной частицы, но и системы, которая может состоять из частицы, множества частиц или даже из целой Вселенной. За время, прошедшее от начального состояния системы до некого более позднего момента, когда мы проводим определения свойств данной системы, происходит какое-то изменение этих свойств, называемое физиками историей системы. Например, в эксперименте с двухщелевой преградой историей частицы является просто ее траектория. В таком эксперименте шанс наблюдать попадание частицы в какую-либо точку зависит от всех путей, которые могут привести туда частицу. Фейнман показал, что точно так же и для любой системы вероятность какого-либо наблюдения составляется из всех возможных историй, которые могли бы привести к данному наблюдению. Поэтому его метод называется в квантовой физике «сумма по историям» или «альтернативные истории».

Теперь, когда мы разобрались с фейнмановским подходом к квантовой физике, наступило время рассмотреть еще один ключевой квантовый принцип, который нам понадобится позже, а именно: наблюдение за системой должно изменять ее ход. Разве нельзя (как мы это делаем, увидев каплю горчицы на подбородке у начальницы) просто наблюдать, но не вмешиваться? Нельзя! Согласно квантовой физике, вы не можете «просто» наблюдать что-либо. То есть квантовая физика считает, что, наблюдая, вы должны взаимодействовать с наблюдаемым объектом. Например, чтобы рассмотреть объект в обычном смысле, мы направляем на него свет. Если свет упадет на тыкву, он, конечно же, окажет на нее слабое влияние. Но попадание даже тусклого света на крошечную квантовую частицу — то есть попадание в нее фотонов — имеет значительный эффект, и эксперименты показывают, что это влияет на результаты опыта именно так, как описывает квантовая физика.

Предположим, что, как и раньше, мы посылаем поток частиц через двухщелевую преграду и собираем данные о первом миллионе частиц, прошедших сквозь щели. Когда мы графически изобразим множество частиц, попавших в разные точки экрана, то получим интерференционный узор (см. ил., с. 73), а когда мы сложим фазы, соответствующие всем возможным путям от точки А — места старта частицы — до точки В — места ее регистрации на экране, — то обнаружим, что рассчитанная вероятность попадания в разные точки совпадает с этими данными.

Теперь предположим, что мы повторяем эксперимент, на этот раз направляя свет на щели так, чтобы мы знали промежуточный пункт — точку С, — через который прошла частица. (Точка С — это положение либо одной, либо другой щели.) Это называется «информация „который путь“», потому что она говорит нам о том, каким путем каждая частица перемещается из точки А в точку В — через щель 1 или через щель 2. Поскольку мы знаем, через какую щель прошла каждая частица, то в нашей сумме траектории для этой частицы будут теперь включать только те пути, которые проходят через щель 1, или только те, что проходят через щель 2. Сумма не будет учитывать траектории, проходящие через обе щели. Поскольку Фейнман объяснил интерференционную картину тем, что траектории, проходящие через одну щель, накладываются на траектории, проходящие через другую, то если вы включите свет, чтобы определить, через какую щель проходят частицы, тем самым лишая их другой возможности, вы получите исчезновение интерференционной картины. И действительно, когда проводился эксперимент, включение света изменяло результаты: вместо интерференционного узора, представленного на с. 73, возникала картина, приведенная на с. 72! Более того, мы можем изменять условия эксперимента, используя свет настолько слабый, что не все частицы взаимодействуют с ним. В этом случае мы можем получить информацию «который путь» только для некоторой группы частиц. Если мы затем разделим данные по частицам в соответствии с тем, получена или нет для них информация «который путь», то обнаружим, что данные, относящиеся к группе, для которой нет такой информации, создадут интерференционный узор, а данные, относящиеся к частицам другой группы — для которых есть информация «который путь», — интерференционной картины не дадут.

Это имеет важные последствия для нашего понимания «прошлого». В теории Ньютона прошлое принималось существующим как определенная последовательность событий. Если вы видите, что ваза, купленная вами в прошлом году в Италии, лежит разбитая на полу, а ваш малыш стоит над ней с растерянным видом, вы можете восстановить события, приведшие к этому случаю: маленькие пальчики не удержали вазу, она упала и, ударившись об пол, разлетелась на тысячу осколков. Действительно, имея полную информацию о настоящем, законы Ньютона позволяют воссоздать полную картину прошлого. Это согласуется с нашим интуитивным пониманием того, что у мира — плохо это или хорошо — имеется определяемое прошлое. Возможно, не было никого, кто наблюдал бы нечто в прошлом, тем не менее существование прошлого столь же несомненно, как если бы оно было запечатлено вами на серии фотоснимков. Но о квантовом бакиболе нельзя сказать, что он прошел вполне определенный путь от источника до экрана. Мы могли бы зафиксировать местоположение бакибола, наблюдая его, но в промежутке между нашими наблюдениями он проходит по всем возможным траекториям. Квантовая физика говорит нам, что, независимо от того, насколько полно наше наблюдение за настоящим, ненаблюдаемое прошлое, как и будущее, выглядит неопределенно и существует только как спектр возможностей. Согласно квантовой физике, Вселенная не имеет единственного прошлого, или единственной истории.

То, что прошлое не имеет определенности, означает, что наши наблюдения за системой, выполняемые в настоящем, влияют на ее прошлое. Это довольно эффектно демонстрирует эксперимент, который предложил американский физик Джон Уилер (1911–2008), — так называемый эксперимент с отложенным выбором. В общих чертах этот эксперимент напоминает только что рассмотренный нами эксперимент с двухщелевой преградой, в котором вы можете наблюдать траекторию движения частицы, за исключением того, что в эксперименте с отложенным выбором вы откладываете свое решение о том, проводить наблюдение за траекторией или нет, до самого последнего мгновения, предшествующего столкновению частицы с экраном.

Эксперимент с отложенным выбором приводит к данным, идентичным тем, что получаются в случае, когда мы решаем наблюдать (или не наблюдать) для получения информации «который путь», следя за самими щелями. Но при отложенном выборе траектория каждой частицы, то есть ее прошлое, определяется намного позже того, как частица пройдет сквозь щели и предположительно уже «решила», проходить ли ей только через одну щель — что не приведет к интерференции — или через обе — что создаст интерференцию.

Уилер даже рассмотрел космическую версию этого эксперимента, в которой частицами являются фотоны, испускаемые мощными квазарами, находящимися на расстоянии в миллиарды световых лет. Такой свет мог бы разделиться на две траектории и снова сфокусироваться в направлении к Земле так называемым гравитационным линзированием с помощью промежуточной галактики. Хотя подобный эксперимент находится за пределами возможностей нынешних технологий, если бы мы смогли собрать достаточно фотонов от такого света, они должны были бы сложиться в интерференционный узор. Однако если мы установим измеряющее устройство для получения информации «который путь» неподалеку от экрана, интерференционная картина не возникнет. Выбор — двигаться по одной или по двум траекториям — в этом случае был бы сделан миллиарды лет назад, еще до того как образовалась Земля, а возможно, даже и само Солнце. И все же наши наблюдения в лаборатории окажут влияние на этот выбор.

В этой главе мы проиллюстрировали использование квантовой физикой эксперимента с двухщелевой преградой. В следующей главе мы рассмотрим фейнмановскую формулировку квантовой механики на примере всей Вселенной. Мы увидим, что, подобно частице, Вселенная имеет не единственную историю, а все возможные истории, каждую со своей собственной вероятностью, а наши наблюдения ее текущего состояния влияют на ее прошлое и определяют различные истории Вселенной точно так же, как наблюдения за частицами в двухщелевом эксперименте влияют на прошлое частиц. Этот анализ покажет, как в результате Большого взрыва возникли законы природы в нашей Вселенной. Но прежде чем рассматривать, как возникают законы, мы немного поговорим о том, что же такое законы, а также о тех загадках, которые они влекут за собой.

5. Теория всего

Самое непостижимое во Вселенной то, что она постижима.

Альберт Эйнштейн

Вселенная постижима, потому что ею управляют научные законы, то есть ее поведение можно смоделировать. Но каковы эти законы и модели? Первой силой (или фундаментальным взаимодействием в природе), описанной на языке математики, была гравитация. Закон всемирного тяготения Ньютона, опубликованный в 1687 году, гласит, что всякий объект во Вселенной притягивает любой другой объект с силой, пропорциональной его массе. Это произвело огромное впечатление на интеллектуальную среду той эпохи, поскольку впервые показало, что по крайней мере один аспект Вселенной может быть точно смоделирован. Кроме того, данный закон давал математический аппарат, позволяющий сделать это. Мысль, что существуют законы природы, породила проблемы, подобные тем, за которые около пятидесяти лет до этого Галилей был обвинен в ереси. Например, в Библии повествуется о том, как Иисус Навин умолил Бога остановить движение солнца и луны, чтобы продлить светлое время, и тем самым дать ему возможность завершить битву с амореями в Ханаане. Согласно книге Иисуса Навина, солнце остановилось почти на сутки. Сегодня мы знаем, что это означает остановку вращения Земли. Но если бы Земля остановилась, то, согласно законам Ньютона, все, не закрепленное на ней, продолжило бы движение с прежней скоростью (1100 миль в час на экваторе), — это была бы высокая цена за отложенный закат. Но Ньютона все это не волновало, поскольку, как мы упоминали, он считал, что Бог может вмешиваться и вмешивается в работу Вселенной.

Следующими аспектами Вселенной, для которых был открыт закон, или модель, стали электрические и магнитные силы (фундаментальные взаимодействия). Они ведут себя подобно гравитации, но с тем важным отличием, что два одноименных электрических заряда или два одноименных полюса магнита отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются. Электрическое и магнитное взаимодействия гораздо сильнее гравитационного, но мы обычно не замечаем их в повседневной жизни, так как макроскопические тела содержат примерно равное число положительных и отрицательных зарядов. Это означает, что электрические и магнитные взаимодействия между двумя макроскопическими телами сами себя уравновешивают, в отличие от гравитационных, которые всегда усиливаются, дополняя друг друга.

На развитие нашего современного понимания электричества и магнетизма ушло примерно сто лет, с середины XVIII до середины XIX века. В этот период физики разных стран проводили тщательные экспериментальные исследования электрических и магнитных сил. Одним из самых важных стало открытие взаимосвязи между электрическими и магнитными силами: движущийся электрический заряд порождает магнитную силу, а движущийся магнит порождает электрические заряды. Первым, кто обнаружил наличие определенной связи, был датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851). Готовясь к лекции, которую он должен был читать в университете в 1820 году, Эрстед заметил, что электрический ток от батареи, которую он использовал, отклоняет стрелку расположенного неподалеку компаса. Вскоре он понял, что движущееся электричество создает магнитную силу, и ввел термин «электромагнетизм». Несколько лет спустя британский ученый Майкл Фарадей (1791–1867) пришел к выводу, что — пользуясь современной терминологией — если электрический ток может порождать магнитное поле, то и магнитное поле должно порождать электрический ток. Он продемонстрировал это в 1831 году. А еще через четырнадцать лет Фарадей открыл связь между электромагнетизмом и светом, показав, что сильное магнитное поле может влиять на природу поляризованного света.

Фарадей не получил хорошего общего образования. Он родился близ Лондона, в семье бедного кузнеца. В возрасте тринадцати лет бросил школу, поскольку вынужден был пойти работать посыльным и переплетчиком в книжной лавке. Там на протяжении нескольких лет он занимался самообразованием, читая переплетаемые им научные труды, а в свободное время проводил дома простые и недорогие опыты. Со временем он получил место ассистента в лаборатории великого английского химика сэра Гемфри Дэви (1778–1829). Фарадей оставался в этой лаборатории в течение всех последующих сорока пяти лет, а после смерти Дэви занял его пост. Не получив достаточного образования по математике, Фарадей испытывал в ней затруднения, что создавало для него сложности в понимании теоретической картины тех странных электромагнитных явлений, которые он наблюдал в своей лаборатории. Тем не менее он во всем разобрался.

Одним из величайших интеллектуальных достижений Фарадея стала идея о силовых полях. В наши дни, благодаря книгам и фильмам о пучеглазых инопланетянах и их звездолетах, большинство людей знакомо с этим термином, так что Фарадею, пожалуй, причитается авторский гонорар. Но в течение столетий, прошедших от Ньютона до Фарадея, одной из великих загадок физики было то, что законы, казалось, свидетельствовали: силы могут действовать через пустое пространство, разделяющее объекты. Фарадею это не нравилось. Он считал, что для приведения объекта в движение нечто должно войти с ним в контакт, и потому предположил, что пространство между электрическими зарядами, как и между полюсами магнита, заполнено невидимыми силовыми линиями — упругими трубками, изменение натяжения которых способно физически осуществлять притягивание или отталкивание. Совокупность этих трубок Фарадей назвал силовым полем. Хорошим способом для визуализации силового поля служит демонстрационный школьный опыт, при котором плоское стекло кладут на стержневой магнит, а поверх стекла насыпают железные опилки. После нескольких потряхиваний, необходимых, чтобы преодолеть трение, опилки начинают двигаться, как будто их толкает невидимая сила, и выстраиваются в форме дуг, протянувшихся от одного полюса магнита к другому. Этот рисунок дает картину невидимой магнитной силы, пронизывающей пространство. Сегодня мы считаем, что все силы передаются полями. Это важная концепция современной физики, как, впрочем, и научной фантастики.

Силовые поля. Силовое поле стержневого магнита, прорисованное железными опилками, которые выстроились вдоль силовых линий между полюсами магнита.

В течение нескольких десятилетий наше понимание электромагнетизма оставалось без развития и ограничивалось знанием нескольких эмпирических законов: мы догадывались, что электричество и магнетизм тесным, хотя и загадочным, образом связаны; понимали, что они имеют какое-то отношение к свету; имелось первичное понятие о силовых полях. Существовало по меньшей мере одиннадцать теорий электромагнетизма, и ни одна из них не оказалась удовлетворительной. Затем, в 1860-х годах, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) за несколько лет развил взгляды Фарадея в математическую структуру, которая объяснила глубинную и загадочную взаимосвязь между электричеством, магнетизмом и светом. В результате был получен набор уравнений, описывающих электрическую и магнитную силы как проявление одной и той же физической сущности — электромагнитного поля. Максвелл объединил электричество и магнетизм в одну силу. Более того, он доказал, что электромагнитные поля могут распространяться в пространстве в виде волн. Скорость этих волн определяется числом, вытекающим из его уравнений, которые он вывел на основе своих экспериментальных данных, полученных несколькими годами ранее. К удивлению ученого, рассчитанная им скорость совпала со скоростью света, которую тогда знали по экспериментальным определениям, с точностью в один процент. Так Максвелл открыл, что свет представляет собой электромагнитную волну.

Сегодня уравнения, описывающие электрические и магнитные поля, называют уравнениями Максвелла. Мало кто слышал о них, но из всех известных нам уравнений они, вероятно, являются самыми важными в коммерческом отношении. Они не только управляют работой различных приборов — от простых бытовых устройств до компьютеров, — но еще и описывают другие (не световые) волны, такие как микроволны, радиоволны, инфракрасные и рентгеновские лучи. Все они отличаются от видимого света только одним — длиной волны. У радиоволн длина (расстояние от гребня одной волны до гребня другой) составляет метр и более, тогда как длина волн видимого света — несколько десятимиллионных долей метра, а у рентгеновских лучей — менее одной стомиллионной метра.

Наше Солнце излучает волны всех длин, но его излучение интенсивнее всего на тех длинах волн, которые мы можем видеть. Наверное, не случайно мы способны видеть невооруженным глазом именно те лучи, которые преобладают в солнечном излучении: скорее всего, наши глаза приспособились таким образом, чтобы различать электромагнитное излучение именно в этом диапазоне, потому что он подходит им наилучшим образом. Если мы когда-нибудь встретим существ с других планет, они, может быть, смогут «видеть» излучение на иных длинах волн — на тех, которые их солнце излучает наиболее сильно (конечно, с поправкой на светоэкранирующие свойства пыли и газов в атмосфере их планеты). Поэтому те инопланетяне, которые развивались в условиях рентгеновского излучения, могли бы сделать неплохую карьеру в службе безопасности аэропортов.

Согласно уравнениям Максвелла, электромагнитные волны распространяются со скоростью 300 000 километров в секунду, или около 670 миллионов миль в час. Но говорить о скорости бессмысленно, если не указать, относительно чего эта скорость измеряется. В повседневной жизни мы об этом даже не задумываемся. Когда дорожный знак ограничения скорости указывает «60 миль в час», то понятно, что имеется в виду скорость автомобиля относительно дороги, а не черной дыры в центре Млечного Пути. Но даже в повседневной жизни иногда приходится принимать во внимание систему отсчета. Например, если в летящем реактивном самолете вы идете по проходу с чашкой чая, то можете сказать, что ваша скорость 2 мили в час. Однако кто-то, находящийся в это время на земле, может сказать, что вы двигаетесь со скоростью 572 мили в час. Прежде чем решить, кто из вас ближе к истине, учтите, что, поскольку Земля движется вокруг Солнца, некто, наблюдающий за вами с поверхности этого небесного тела, не согласится с обоими и скажет, что ваша скорость около 18 миль в секунду, да еще и позавидует тому, что у вас есть кондиционер. В свете таких разногласий возникает естественный вопрос: а когда Максвелл утверждал, что обнаружил величину скорости света на основании своих уравнений, то относительно чего в этих уравнениях измерялась скорость света?

Длина волны. Микроволны, радиоволны, инфракрасное и рентгеновское излучение, а также видимый свет разного цвета отличаются только длиной волны.

Нет оснований полагать, что параметр скорости в уравнениях Максвелла представляет собой скорость, измеренную относительно Земли. В конечном счете его уравнения применимы ко всей Вселенной. Альтернативный ответ, который одно время рассматривался, состоял в том, что в уравнениях Максвелла указывается скорость света относительно еще не выявленной среды, заполняющей все пространство. Такое вещество назвали светоносным эфиром, для краткости — просто эфиром. Этот термин ввел еще Аристотель для обозначения субстанции, которая, по его мнению, заполняет всю Вселенную за пределами земного шара. Этот гипотетический эфир мог бы представлять ту среду, благодаря которой происходит распространение электромагнитных волн, подобно тому как звук распространяется в воздухе. Если бы эфир существовал, то имелся бы Абсолютный стандарт покоя (покоя по отношению к эфиру), а отсюда и Абсолютный способ определения движения. Эфир обеспечил бы предпочтительную систему отсчета во всей Вселенной, и скорость любого объекта можно было бы измерять относительно этой системы. Поэтому на основе теоретических соображений стали считать, что эфир существует, и поручили нескольким ученым найти способ для его изучения или хотя бы подтвердить его существование. Одним из этих ученых был сам Максвелл.

Если вы движетесь в воздушной среде навстречу звуковой волне, то волна соприкасается с вами на более высокой скорости, а если вы убегаете от нее, то она достигает вас с меньшей скоростью. Если бы вместо воздуха был эфир, то скорость света изменялась бы аналогичным образом в зависимости от вашего движения относительно эфира. Действительно, если свет ведет себя аналогично звуку, то подобно тому как люди, летящие на сверхзвуковом самолете, никогда не услышат звука, возникающего позади самолета, так и путешественники, достаточно быстро несущиеся сквозь эфир, смогут перегнать световую волну. Исходя из этих соображений, Максвелл предложил провести эксперимент. Если эфир существует, то Земля, совершая свой путь вокруг Солнца, должна двигаться сквозь него. Поскольку Земля в январе движется по своей орбите в одном направлении, а, скажем, в апреле или июле — в другом, то должна быть какая-то возможность заметить крошечную разницу в скорости света в разное время года (см. ил., с. 107).

Движение сквозь эфир. Если бы мы двигались сквозь эфир, то должны были бы ощутить это движение, наблюдая сезонные различия скорости света.

Максвелл намеревался опубликовать эту идею в ведущем научном журнале Великобритании «Труды Королевского общества» («Ргосееdings of the Royal Society»), но редактор отговорил его, высказав сомнение в возможности подобного эксперимента. Однако в 1879 году, незадолго до своей смерти в возрасте сорока восьми лет от рака желудка, Максвелл отправил другу письмо, в котором рассказал о своей идее. Это письмо было опубликовано уже после смерти Максвелла в журнале «Нейчур» («Nature»), где наряду с другими читателями с ним ознакомился и американский физик Альберт Майкельсон (1852–1931). В 1887 году Майкельсон и еще один американский физик, Эдвард Морли (1839–1923), впечатленные догадкой Максвелла, провели высокоточный эксперимент по измерению скорости, с которой Земля движется сквозь эфир. Они поставили перед собой задачу сравнить скорость света в двух разных направлениях, пересекающихся под прямым углом. Если бы скорость света была постоянна относительно эфира, то измерения должны были показать разные величины скорости света в зависимости от направления луча. Но Майкельсон и Морли такой разницы не обнаружили.

Результат эксперимента явно противоречил модели распространяющихся в эфире электромагнитных волн и должен был заставить ученых отказаться от модели эфира. Но целью Майкельсона было измерение скорости Земли относительно эфира, а не доказательство или опровержение гипотезы об эфире, и полученные им результаты не привели к заключению о том, что эфира не существует. И никто другой не пришел когда-либо к такому заключению. Действительно, знаменитый британский физик сэр Уильям Томсон (1824–1907), известный также как лорд Кельвин, в 1884 году сказал, что «светоносный эфир — это… единственная субстанция, которой мы доверяем в динамике. В чем мы уверены, так это в реальности и материальности светоносного эфира».

Можно ли было верить в существование эфира после результатов эксперимента Майкельсона — Морли? Как мы уже говорили, зачастую люди стараются спасти модель, дополняя ее различными ухищрениями и особыми условиями. Некоторые допускали, что Земля тянет эфир за собой, так что в действительности мы не движемся относительно него. Голландский физик Хендрик Антон Лоренц (1853–1928) и ирландский физик Джордж Фрэнсис Фицджеральд (1851–1901) предположили, что в системе отсчета, движущейся относительно эфира, часы — вероятно, из-за какого-то пока еще неизвестного механического воздействия — замедляют ход, а расстояния сжимаются, так что измерения скорости света давали бы ту же самую величину. Подобные попытки спасти представление об эфире продолжались почти двадцать лет, пока не появилась поразительная статья неизвестного молодого клерка Альберта Эйнштейна — сотрудника Бернского патентного бюро.

Когда в 1905 году Эйнштейн опубликовал свою статью «Zur Elektrodynamik bewegter Korper» («Об электродинамике движущихся тел»), ему было двадцать шесть лет. В этой статье он сделал простое предположение, что законы физики, и в частности скорость света, должны выглядеть одинаковыми для всех равномерно движущихся наблюдателей. Эта идея, как оказалось, потребовала революции в нашем понимании пространства и времени. Чтобы уяснить, почему это так, представьте себе два события, которые происходят в одной и той лее точке внутри реактивного самолета, но в разное время. Для наблюдателя, находящегося в самолете, расстояние между местами, в которых произошли эти два события, будет равно нулю. Но для наблюдателя, находящегося на земле, они будут разделены расстоянием, которое самолет преодолел за время, прошедшее между событиями. Это показывает, что два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, не достигнут согласия в оценке расстояния между двумя событиями.

Теперь предположим, что два наблюдателя следят за вспышкой света, направленной от хвоста самолета к его носу. Как и в приведенном выше примере, у них не будет согласия в оценке расстояния, которое прошел свет от точки его вспышки на хвосте самолета до точки его приема на носу. Поскольку скорость равна пройденному расстоянию, деленному на время прохождения, это означает, что если у них есть согласие о скорости, с какой перемещается вспышка (то есть о скорости света), то они не согласятся в оценке интервала времени между моментом испускания света и моментом его приема.

Странно здесь то, что хотя у двух наблюдателей получаются различные значения времени, они видят один и тот же физический процесс. Эйнштейн не пытался дать искусственного объяснения этому. Он пришел к логичному, хотя и шокирующему заключению, что измерение затраченного времени, как и измерение пройденного расстояния, зависит от наблюдателя, выполняющего измерения. Этот эффект является одним из ключей к теории, изложенной Эйнштейном в его статье 1905 года. Эта теория стала называться специальной теорией относительности.

Мы можем увидеть, каким образом этот анализ применим к устройствам хронометрирования, если проанализируем поведение двух наблюдателей, следящих за часами. Согласно специальной теория относительности, часы идут быстрее для того наблюдателя, который неподвижен относительно часов. Для наблюдателей, которые не находятся в покое относительно часов, они идут медленнее. Если световой импульс, направленный от хвоста самолета к его носу, уподобить тиканью часов, то мы увидим, что для наблюдателя на земле часы идут медленнее, поскольку световому лучу в этой системе отсчета приходится преодолевать большее расстояние. Но этот эффект не зависит от механизма часов, что верно для любых часов, далее для наших собственных — биологических.

Летящий самолет. Если в реактивном самолете ударить мячиком об пол, то наблюдатель на борту увидит, что при каждом последующем прыжке мячик будет отскакивать от одной и той же точки, а вот наблюдателю, находящемуся на земле, будет казаться, что точки подскакивания мячика разделены большими расстояниями.

В статье Эйнштейна было показано, что, подобно понятию неподвижности, время не может быть абсолютным, как полагал Ньютон. Иными словами, невозможно каждому событию присвоить время, с которым согласятся все наблюдатели. Напротив, у каждого из наблюдателей будет собственный результат измерения времени, а результаты, полученные двумя наблюдателями, движущимися относительно друг друга, будут различаться. Идеи Эйнштейна противоречат нашему интуитивному ощущению, поскольку их последствия незаметны на скоростях, с которыми мы обычно имеем дело в повседневной жизни. Но они неоднократно подтверждались экспериментально. Представьте, например, часы, расположенные неподвижно в центре Земли, еще одни часы на поверхности Земли и третьи часы — в самолете, летящем либо в направлении вращения Земли, либо против ее вращения. По отношению к часам в центре Земли часы в самолете, летящем на восток (в направлении вращения Земли), перемещаются быстрее, чем часы, расположенные на поверхности Земли, и потому их ход должен быть медленнее. Подобным же образом часы в самолете, летящем на запад (против вращения Земли), перемещаются медленнее, чем часы на поверхности Земли, и это означает, что часы в самолете должны идти быстрее, чем часы, расположенные на поверхности Земли. Именно это и наблюдалось, когда в эксперименте, проведенном в октябре 1971 года, очень точные атомные часы были отправлены в кругосветный полет. Так что вы сможете продлить свою жизнь, если будете постоянно летать вокруг земного шара в восточном направлении, хотя вас наверняка утомят кинофильмы, которые показывают во время полета. Однако эффект будет весьма малым — около 180 миллиардных долей секунды за каждый облет вокруг земного шара (и даже несколько меньше за счет разницы в гравитации, но здесь мы не будем вникать в это).

Замедление времени. Кажется, что движущиеся часы идут медленнее. Поскольку это относится и к биологическим часам, то, похоже, движущиеся люди будут стареть медленнее. Но не спешите радоваться: при наших повседневных скоростях никакие обычные часы не смогут измерить эту разницу.

Благодаря работе Эйнштейна физики поняли, что своим требованием постоянства скорости света в любой системе отсчета максвелловская теория электромагнетизма говорит о том, что время не может рассматриваться отдельно от трехмерного пространства. Время и пространство взаимосвязаны. Это что-то вроде четвертого измерения «будущее — прошлое», добавленного к привычным «влево — вправо», «вперед — назад» и «вверх — вниз». Физики называют эту связь пространства и времени «пространство-время», а поскольку пространство-время имеет четвертое направление, они назвали время четвертым измерением. В пространстве-времени время больше не отделено от трех пространственных измерений, и, говоря нестрого, как определение «влево-вправо», «вперед — назад» и «вверх — вниз» зависит от положения наблюдателя в пространстве, так и направление времени меняется в зависимости от скорости наблюдателя. Наблюдатели, движущиеся с разными скоростями, будут в пространстве-времени двигаться в различных направлениях времени. Специальная теория относительности Эйнштейна стала поэтому новой моделью, избавленной от понятий абсолютного времени и абсолютного покоя (то есть покоя относительно неподвижного эфира).

Вскоре Эйнштейн понял, что для совмещения гравитации (силы тяжести) с теорией относительности необходимо сделать еще одно изменение. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, в любое данное время объекты притягиваются друг к другу с силой, зависящей от расстояния между ними в это время. Но теория относительности отменила понятие абсолютного времени, и потому невозможно было определить, когда нужно измерять расстояние между объектами. Таким образом, теория гравитации Ньютона не вписывалась в специальную теорию относительности, и ее пришлось модифицировать. Противоречие могло показаться чисто техническим затруднением, быть может, даже мелочью, которую возможно как-то обойти без больших переделок теории. Но оказалось, что теория Ньютона была весьма далека от истины.

На протяжении последующих одиннадцати лет Эйнштейн развивал новую теорию гравитации, которую назвал общей теорией относительности. Понятие гравитации в общей теории относительности совсем непохоже на то, которое было у Ньютона. Эйнштейн построил его на революционном предложении о том, что пространство-время не плоское, как предполагалось до этого, а искривлено и искажено содержащимися в нем массой и энергией.

Представить себе искривление удобно на примере поверхности Земли. Хотя земная поверхность всего лишь двухмерна (поскольку на ней есть только два направления: север — юг и восток — запад), мы возьмем это для примера, потому что искривление двухмерного пространства проще изобразить, чем искривление четырехмерного. Геометрия искривленных пространств, таких как земная поверхность, это не геометрия Евклида, с которой мы хорошо знакомы. Например, на земной поверхности кратчайшее расстояние между двумя точками, которое мы знаем в евклидовой геометрии как прямую, это путь, связывающий две точки по так называемой дуге большого круга. (Большим кругом называется круг, центр которого совпадает с центром земного шара. Линии пересечения таких кругов с поверхностью Земли образуют окружности, вдоль которых и проходят кратчайшие расстояния. Примером подобной окружности может служить экватор, а также любая окружность, полученная при вращении экватора вокруг произвольно расположенных диаметров земного шара.)

Геодезические линии. Кратчайшее расстояние между двумя пунктами на поверхности Земли выглядит на плоской карте изогнутой линией. Имейте это в виду, если вдруг доведется проходить тест на алкоголь.

Представьте, что вы хотите совершить путешествие, например, из Нью-Йорка в Мадрид (эти два города находятся почти на одной широте). Если бы Земля была плоской, то кратчайшим путем было бы направление на восток строго по прямой. Если вы так и поступите, то прибудете в Мадрид, преодолев 3707 миль. Но вследствие искривленности земной поверхности имеется путь, который на плоской карте выглядит кривым и поэтому кажется более длинным, однако на самом деле он короче. Вы сможете добраться туда же, преодолев только 3605 миль, если ваш маршрут будет пролегать по дуге большого круга. Такой путь пойдет сначала на северо-восток, потом будет постепенно поворачивать на восток, а затем на юго-восток. Разница в расстояниях между двумя точками объясняется искривленностью земной поверхности и указывает на ее неевклидову геометрию. Авиакомпании знают это и прокладывают для пилотов маршруты по дуге большого круга, когда это целесообразно.

Согласно законам движения Ньютона, объекты, будь то пушечные ядра, круассаны или планеты, движутся по прямой, если на них не действует никакая сила, например сила тяжести (гравитация). Но гравитация, по теории Эйнштейна, не является такой же силой, как другие. Скорее, она следствие того, что масса искажает пространство-время, создавая кривизну. В теории Эйнштейна объекты перемещаются по так называемым геодезическим линиям, которые представляют собой прямые линии, расположенные в искривленном пространстве. Геодезическая линия на плоскости — это прямая, а на поверхности земного шара — дуга большого круга. При отсутствии материи геодезические линии в четырехмерном пространстве-времени соответствуют прямым в трехмерном пространстве. Но когда материя присутствует, она искривляет пространство-время, и траектории тел в соответствующем трехмерном пространстве искривляются. Теория Ньютона объясняла это гравитационным притяжением. Когда пространство-время не плоское, траектории объектов выглядят изогнутыми, и создается впечатление, что на них действует какая-то сила.

Общая теория относительности Эйнштейна повторяет специальную теорию относительности для условий, при которых отсутствует гравитация, и дает почти такие же прогнозы, что и закон всемирного тяготения Ньютона при слабой гравитации нашей Солнечной системы, — но не полностью такие. Если бы общая теория относительности не учитывалась спутниковой навигационной системой ОР8, то ошибки в определении положения объектов на земной поверхности накапливались бы со скоростью примерно 10 километров каждый день! Однако подлинная ценность общей теории относительности не в том, что она используется в устройствах, которые помогают вам отыскивать путь к новым ресторанам, а в том, что это совершенно иная модель Вселенной, которая дает прогнозы новых явлений, таких как гравитационные волны и черные дыры. Так общая теория относительности превратила физику в геометрию. Современные технические устройства обладают достаточной чувствительностью для того, чтобы провести различные высокоточные проверки общей теории относительности, и она выдержала все их.

Хотя теория электромагнетизма Максвелла и теория гравитации Эйнштейна (общая теория относительности) совершили революцию в физике, обе они, как и Ньютонова физика, представляют собой классические теории, то есть обе являются моделями, в которых Вселенная имеет единственную историю. Но, как мы рассмотрели в главе 4, на атомном и субатомном уровнях эти модели не согласуются с наблюдениями и вместо них приходится прибегать к квантовым теориям, где Вселенная может иметь любую возможную историю, у каждой из которых своя собственная интенсивность или амплитуда вероятности[2]. Для практических расчетов в повседневной жизни мы по-прежнему можем пользоваться классическими теориями, но если нам хочется понять поведение атомов и молекул, то необходима квантовая версия теории электромагнетизма Максвелла. Если же мы хотим понять природу ранней Вселенной, когда вся материя и энергия были сжаты в малом объеме, то потребуется квантовая версия общей теории относительности. Эти теории нужны нам еще и потому, что если мы хотим прийти к фундаментальному пониманию природы, то было бы непоследовательно, если одни законы будут квантовые, а другие классические. Поэтому мы должны найти квантовые версии всех законов природы. Они называются квантовополевыми теориями.

Все известные фундаментальные взаимодействия в природе (природные силы) можно разделить на четыре класса:

1. Гравитация. Это самая слабая из четырех сил, но ее действие простирается на дальние расстояния. Она влияет на всё во Вселенной как тяготение (притяжение). Это означает, что для больших тел все гравитационные воздействия складываются и могут преобладать над другими силами.

2. Электромагнетизм. Это тоже дальнодействующая сила, она гораздо сильнее, чем гравитация, но воздействует только на частицы с электрическим зарядом, отталкивая одноименные заряды и притягивая разноименные. Это означает, что электрические взаимодействия между большими телами гасят друг друга, но на уровне атомов и молекул они преобладают. Электромагнитные силы ответственны за всё в химии и биологии.

3. Слабое ядерное взаимодействие. Оно вызывает радиоактивность и играет определяющую роль в образовании химических элементов внутри звезд и в ранней Вселенной. Однако в повседневной жизни мы не входим в контакт с этой силой.

4. Сильное ядерное взаимодействие. Эта сила удерживает протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Она также удерживает от распада сами протоны и нейтроны, что необходимо, поскольку они состоят из еще более мелких частиц — кварков, о которых мы упоминали в главе 3. Сильное ядерное взаимодействие — это источник энергии для Солнца и ядерной энергетики, но с этим взаимодействием, также, как и со слабым, мы непосредственно не сталкиваемся.

Первое из фундаментальных взаимодействий (природных сил), для которого была создана квантовая версия, это электромагнетизм. Квантовая теория электромагнитного поля, называемая квантовой электродинамикой (КЭД), была разработана в 1940-х годах Ричардом Фейнманом и рядом других физиков. КЭД стала моделью для всех квантовополевых теорий. Как мы уже говорили, согласно классическим теориям, силы передаются посредством полей. Но в квантовополевых теориях силовые поля состоят из различных элементарных частиц, названных бозонами. Эти переносящие энергию частицы перемещаются туда-сюда между частицами материи, передавая силу. Частицы материи называются фермионами. Электроны и кварки — это примеры фермионов. Фотон, или частица света, — это пример бозона. Бозон передает электромагнитную силу. Происходит следующее: частица материи, например электрон, испускает бозон (частицу силы) и отскакивает в противоположном направлении, подобно тому как пушка подается назад после выстрела. Частица силы затем сталкивается с другой частицей материи и поглощается ею, изменяя движение этой частицы материи. Согласно КЭД, все взаимодействия между заряженными частицами (частицами, реагирующими на электромагнитную силу) описываются как обмен фотонами.

Предсказания КЭД были проверены и с большой точностью совпали с результатами экспериментов. Но выполнение математических расчетов, необходимых для КЭД, может оказаться затруднительным. Проблема, как мы увидим далее, в том, что когда вы добавляете к вышеупомянутой схеме обмена частицами квантовое требование рассматривать все истории, по которым это взаимодействие может произойти (например, все траектории, по которым силовые частицы могут быть обменяны), то математические расчеты становятся сложными. К счастью, вместе с изобретением нового понятия в квантовых теориях, названного «альтернативные истории» (оно описано в последней главе), Фейнман разработал также лаконичный графический метод учета различных историй — метод, который сегодня используется не только в КЭД, но и во всех квантовополевых теориях.

Графический метод Фейнмана дает нам возможность с помощью простых изображений наглядно показать каждую составляющую в сумме всех возможных историй (или, как еще говорят, в сумме по историям). Эти изображения, названные диаграммами Фейнмана, стали одним из важнейших инструментов современной физики. В КЭД сумму по всем возможным историям можно представить как сумму по диаграммам Фейнмана, подобным тем, что показаны на иллюстрации (с. 121).

Диаграммы Фейнмана. Эти диаграммы иллюстрируют процесс, в котором два электрона разлетаются друг от друга.

Страницы: 12 » »»