Книга Краткая теория времени - Карло Ровелли

Такое открытие было неожиданным и ошеломляющим. Итак, пространства, которое Ньютон описал как раз и навсегда установленное, неподвижное, как ящик, – не существует. Вместо него мы имеем дело с гравитационным полем, гибким и динамичным физическим объектом того же рода, что и электромагнитное поле. Разом оказалось так, что Вселенная не состоит из частиц и полей, пребывающих в пространстве, – она состоит только из частиц и полей. Поля существуют, так сказать, одно в другом. Гравитационное поле и электромагнитное переходят одно в другое, или накладываются одно на другое, или перекрывают друг друга – короче говоря, сосуществуют и действуют вместе. Мы живем в электромагнитном и/или в гравитационном поле, а не в неподвижном пространстве-ящике.

Представьте себе остров в океане, на котором живет множество животных. Мы говорим, что видим на острове животных. Но молодой морской биолог, сам животное вида Einstainium, проводит исследование и обнаруживает, что остров – вовсе не остров, а огромный кит. Сам остров – животное; и получается, что нет двух разных рядов явлений – животных и островов, – нет никакой суши, а есть только множество животных, которые живут «одни на других». Точно так же Эйнштейн понял, что различным полям не нужно единое неподвижное пространство – «ящик», в котором они бы все находились, – потому что они могут существовать, «расположенные одни на других». Ньютоновское пространство было островом, на котором обитали животные, оно было устойчивой, статичной, неподвижной базой. Эйнштейн показал, что пространство – не что иное, как единство различных полей и частиц, которые в них перемещаются. Это пространство – само такое же поле, как другие. Оно может двигаться, колебаться, искривляться, и его поведение подчиняется уравнениям (Эйнштейна), аналогичным уравнениям, которым подчиняется поведение электромагнитного поля.

Конечно, изменения гравитационного поля настолько слабы, что по нашей измерительной шкале пространство кажется нам совершенно однородным и неподвижным, таким же, каким спина кита кажется животным на «острове». Структура пространства ускользает от нашего восприятия, подобно тому как неровности листа бумаги не ощущаются нашими пальцами. Но с помощью достаточно точных инструментов мы можем удостовериться в колебаниях пространства-времени. Поэтому и говорят, что по теории Эйнштейна пространство-время искривляется.

Эйнштейн прошел в своей теории два этапа. Сначала он дал релятивистское описание классической механики, не затрагивая гравитацию, а потом распространил это описание на движение тел под воздействием гравитации.

Такова общая теория относительности. Речь идет именно об относительности, потому что стало невозможно размещать объекты в независимом от них, абсолютном пространстве – можно было только указывать их расположение относительно друг друга. И эта относительность общая, потому что, появившись поначалу только в рамках теории гравитации, она все-таки имеет более универсальное значение. Относительность меняет наше представление о пространстве и полностью опрокидывает обычное понимание физического мира.

Общая теория относительности прекрасна, но малодоступна для понимания. Для точного ее формулирования нужны сложные математические операции, которые бы описывали поля, существующие в других полях, а не в пустом пространстве. Но стоит только как следует в ней разобраться, как попадаешь под очарование ее концептуальной ясности. Явления, которые казались отдельными, не связанными внутренне, такие как пространство, сила притяжения, поля, на самом деле лишь разные стороны одной общей сущности – гравитационного поля.

Как в голову Эйнштейну смогла прийти эта изумительная теория? Непосредственные наблюдения не сыграли в его работе почти никакой роли. Теория стала результатом приложения чистой мысли к тому, что уже было известно о Вселенной. Представлением об общей относительности Эйнштейн обязан только своему гению. Размышляя о природе пространства и о теориях, которые устоялись в предшествующие времена, он понял, что пространство-время – это динамика. А далее – составил прекрасные уравнения и во время затмения вычислил видимое смещение звезд.

Источником познания здесь оказалось углубленное понимание существовавших теорий. Эйнштейн ничего не строил с нуля. Он смог обнаружить относительность в ограниченных пределах («специальную») в 1905 году, потому что очень серьезно изучал признанные к тому времени теории: теорию Максвелла и механику Галилея-Ньютона – сосредоточившись на их видимых противоречиях (я вернусь к этим противоречиям в главе 6). В 1915 – году формулирования общей теории относительности – он изучал противоречия между законом тяготения Ньютона и специальной относительностью. Эйнштейн использовал признанные теории в качестве эмпирических оснований для формулировки новой концепции, которая охватывала их все. Существовавшие теории сыграли для него роль «экспериментальных данных», так как в достаточной степени подтверждались на практике. Сам Эйнштейн занялся построением на более высоком уровне, точно так же как Ньютон формулировал свою теорию, опираясь на теории Кеплера и Галилея. Как мы видим, открытия Эйнштейна, как и открытия Ньютона, не будучи лишь чисто умозрительными, укоренены в эмпирике, в опыте, хотя данными для них послужили теории предшественников.

Еще тридцать лет назад общая теория относительности считалась великолепной, но экзотичной, слишком далекой от практики. Потом мы стали свидетелями взрыва ее применений в самых различных областях: от астрофизики и космологии до выявления данных, свидетельствующих о наличии гравитационных волн – гравитационных «линий Фарадея», – что было предсказано теорией Эйнштейна.

Среди предсказаний, подтвержденных нашими умозаключениями, я упомяну лишь существование черных дыр, занявшее достаточно прочное место в наших познаниях о Вселенной. А среди практических применений – всем известную GPS (систему глобального позиционирования). Аппаратик, который можно купить в магазинах для спортсменов или автомобилистов и который предоставляет сведения о нашем точном положении на поверхности планеты, не мог бы функционировать без учета следствий общей теории относительности.

Но эта научная революция была не единственным открытием, опрокинувшим устои физики в XX веке. Квантовая механика тоже изменила наши представления об объектах и материи.

Квантовая механика

Понятие объекта, фундаментальное в теории Ньютона, изменилось благодаря достижениям Фарадея и Максвелла. Мир теперь состоял не только из частиц, то есть маленьких плотных «шариков», но и из полей – протяженных, рассеянных сущностей. Однако еще более радикальными были перемены, которым подвергла понятие объекта квантовая механика. Это случилось благодаря долгим и трудным экспериментальным исследованиям атомов, излучения и света, благодаря эпическим баталиям (герои которых – Макс Планк, опять-таки Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Поль Дирак). Теперь можно было сказать, что общее ви́дение материи, ньютоновская механика, неприложимы к микроскопическим объектам. Там их следует заменять квантовой механикой.

Эта новая механика принесла с собой две огромные перемены. Во-первых, в мире очень малых объектов всюду сталкиваешься с «зернистостью», или дискретностью. К примеру, скорость микроскопического объекта, локализованного в пространстве, не может иметь произвольное значение. Она может принимать только определенные значения, и тогда говорят, что скорость «квантована». Такой дискретный характер имеет множество физических величин. Энергия атома, например, не может быть произвольной, она должна принимать вполне определенные значения (соответствующие энергетическим уровням атома). Их можно вычислить исходя из общих принципов. Иными словами, все происходит так, как если бы энергия была раздробленной, складывалась из отдельных «сгустков», или квантов. То же самое и с полями. Электромагнитное поле, которое можно представить себе как совокупность подвижных линий, не является непрерывным, если его рассматривать на уровне очень малых величин. Оно проявляет себя в виде маленьких «комков» энергии – вроде зерен или квантов, – которые называют фотонами.