Чтение онлайн

У читателя может сложиться впечатление, что существует бесконечная вереница теорий, каждая последующая в которой совершеннее предыдущей. Но разве в действительности существует такой бесконечный ряд теорий? Видимо, нет, поскольку квантовой механикой постулируется противоречащий этому принцип неопределённости. По мере того, как мы пытаемся разглядеть всё более мелкие объекты, увеличивается «размытость».

Означает ли это, что теперешние теории – предел, который нам не перешагнуть? Конечно, нет, ведь мы видели раньше, что осталось множество вопросов, на которые пока нет ответа: взаимосвязь четырёх фундаментальных полей, связь между квантовой теорией и общей теорией относительности, взаимосвязь лептонов и кварков, дальнейшая судьба Вселенной… И это лишь некоторые из нерешённых проблем. Мы будем искать ответы на эти вопросы, и несмотря на трудности, которые кажутся почти непреодолимыми, стремиться к полному объединению. Известно, что современные теории прекрасно описывают природу, но они тоже несовершенны, как и их предшественницы – они тоже откажут, если попытаться распространить их на слишком широкий круг явлений. Впрочем, условия, при которых они могут отказать, достаточно далеки от сферы нашего опыта и от того, что мы привыкли считать микро- и макрокосмосом. Прежде чем говорить об этих условиях, следует рассказать немного об основных современных теориях. В следующей главе речь пойдёт об общей теории относительности.

Прежде чем погрузиться в глубины общей теории относительности, нужно поближе познакомиться с понятиями пространства и времени. Вы, наверное, думаете, что и так хорошо знакомы с этими, на первый взгляд простыми, вещами; пространство – это пустота, в которой существует всё остальное, а время – хронологическая последовательность событий в этой пустоте. На самом деле всё несколько сложнее. Одним из первых задумался о физическом смысле этих понятий Исаак Ньютон. Он родился в Англии в 1642 году. Воспитывала его бабушка. В раннем возрасте его гений никак не проявлялся. Правда, он был искусным механиком – любил мастерить ветряные мельницы, водяные часы и другие механические игрушки.

Исаак Ньютон (1642-1727)

Как большинство великих учёных, Ньютон обладал поразительной способностью концентрации внимания. Иногда её принимали за рассеянность; из-за неё он время от времени попадал в неловкое положение. Однажды во время прогулки верхом Ньютон спешился у подножья холма и решил взобраться на него, ведя лошадь на поводу. Поднимаясь, он «отключился» от окружающего и только на вершине, увидев в своей руке уздечку, сообразил, что лошади нет. Он так глубоко задумался, что не заметил, как она выбралась из упряжи и убежала.

Многие, знавшие Ньютона, вспоминали, что в молодости он был молчаливым, спокойным, задумчивым человеком. Он предпочитал общество девушек, но несмотря на это, остался холостяком. Перенесённые в детстве оскорбления и издевательства сильно повлияли на него, и со временем он стал подозрительным, свои труды и идеи держал в секрете, опасаясь, как бы их не украли. Он даже не хотел публиковать свой великий труд «Математические начала натуральной философии».

Ньютон считал, что пространство абсолютно. «Абсолютное пространство, по своей природе, безотносительно к чему-либо внешнему, всегда остаётся неизменным и неподвижным», – писал он. Авторитет Ньютона был столь велик, что лишь немногие пытались оспаривать его взгляды. Одним из несогласных был ирландский философ Джордж Беркли. В своей книге «Принципы человеческого знания», рассматривая проблему вращательного движения в пустом пространстве, Беркли указал, что если бы пространство было совершенно пустым, нельзя было бы сказать, вращается ли какой-либо объект, например Земля. Отсюда он сделал вывод, что пространство не абсолютно.

Немецкий физик Эрнст Мах, прославившийся работой «Механика» и непримиримыми взглядами на атомную структуру (он не верил в существование атомов), подхватил и развил идеи Беркли, выдвинув так называемый принцип Маха. Чтобы понять суть этого принципа, представьте себе, что вы сидите на вращающейся карусели. При этом ощущается действие внешней силы, которая сбросит человека с карусели, если он перестанет держаться за поручень. Мах рассматривал связь между этой силой, называемой центробежной, и остальной Вселенной. Он задал вопрос: «Что случится с этой силой, если вся прочая материя внезапно исчезнет?» и пришёл к выводу, что тогда центробежная сила тоже исчезнет. Если во Вселенной больше ничего нет, мы и не узнаем, что находимся во вращении, более того, само это понятие потеряет смысл. Но когда нет вращения, нет и центробежной силы. Это означает, что местные силы должны зависеть не только от местных особенностей, но и от Вселенной в целом, даже от самых далёких звёзд. Мах обнародовал свои идеи, и учёные сочли их возмутительными, над ними смеялись. Какое отношение имеют далёкие звёзды к силе, возникающей при вращении на карусели?

Эйнштейн не смеялся. На него эта идея произвела сильное впечатление, и в течение нескольких лет он обдумывал её следствия, а позднее говорил, что идея Маха была для него путеводной звездой при создании общей теории относительности. Эйнштейн собирался непосредственно включить принцип Маха в свою теорию, но в конце концов оказалось, что это не нужно.

Теория Эйнштейна показала нам, что пространство – это не неизменная абсолютная пустота, которую представлял себе Ньютон. В определённом смысле это физический «объект», гораздо более сложный, чем можно себе представить. Оно может не только растягиваться, искривляться и изменяться от точки к точке, но, как мы увидим позже, из него внезапно могут рождаться частицы. Наверное, мы до сих пор не знаем о многих его свойствах и даже не в состоянии их вообразить.

Второе из фундаментальных понятий – время – ещё более загадочно, чем пространство. Мы ощущаем ход времени и легко отличаем текущий момент от прошлого и будущего, и потому считаем, что нам всё понятно. Но физическое время, которое мы ощущаем, совсем не то же самое, что время математическое. Эйнштейн как-то с юмором сказал об обманчивости восприятия времени: «Когда у вас на коленях сидит хорошенькая девушка, час пролетает как минута, но даже минута на раскалённой плите кажется часом».

Ньютон был убеждён в том, что время, как и пространство, абсолютно – течение его неизменно и всегда одинаково во всех уголках Вселенной. Как мы уже видели, специальная теория относительности утверждает, что это не так. Когда космонавт покидает Землю и улетает в пространство со скоростью, близкой к световой, его часы идут совсем не так, как земные. Кажется, что его часы сильно отстают, и тем больше, чем ближе его скорость к световой. Странно то, что если он взглянет на наши земные часы, ему не покажется, как можно ожидать, что наши часы спешат; он увидит, что они отстают от его часов, т.е. часы идут по-разному. По часам космонавта пройдёт меньше времени, чем по земным часам. Как же так, ведь казалось, что и те и другие часы идут медленнее? Ответ на вопрос даёт общая теория относительности. Это одна из причин, по которой Эйнштейн считал необходимым расширить сферу применения специальной теории относительности: ему было ясно, что она неполна.

Различие в ходе времени широко используется в научной фантастике, но чаще всего за пределами разумного – в этой литературе путешествия в прошлое и в будущее встречаются сплошь и рядом. В таких путешествиях обычно упоминается так называемая дыра во времени. Попавшие в такую дыру, обычно изображаемую в виде гигантских и водоворотов и смерчей, внезапно оказываются в прошлом или в будущем. Должен признаться, что я тоже очень люблю такие фантастические истории, и мне не хотелось бы разрушать красивые иллюзии, но факты говорят, что такие путешествия невозможны. Дело в том, что фундаментальное понятие, называемое причинностью (смысл его в том, что каждое событие вызывается каким-то другим), запрещает их. Чтобы понять смысл причинности, давайте ещё раз посмотрим, что происходит со временем при больших относительных скоростях, вернее, при любых относительных скоростях, поскольку эффект присутствует всегда, но становится заметен, когда различие в скоростях велико. Представим себе двух наблюдателей A и B; предположим, что A остаётся на Земле, а B улетает на ракете. По мере того, как B разгоняется, его часы, с точки зрения A, идут всё медленнее, а когда B достигает скорости, почти равной скорости света, его часы почти останавливаются. Если продолжить наши рассуждения, то окажется, что по достижении B скорости света его часы, с точки зрения A, должны полностью остановиться. Но на самом деле это невозможно, так как одним из фундаментальных следствий специальной теории относительности является вывод о том, что вещество не может двигаться со скоростью света. Именно недостижимость скорости света и порождает причинность. Если бы сверхсветовая скорость существовала, мы могли бы путешествовать в прошлое и будущее, вмешиваясь в ход истории. Можно было бы убить своего дедушку, когда он был ещё молодым, и тогда «вы», конечно, не могли бы появиться на свет. Как видно, парадокс здесь налицо.

Итак, несмотря на привлекательность историй с дырами времени, с научной точки зрения они безосновательны. Не исключено, что когда-нибудь появится возможность наблюдать за прошлым, не вмешиваясь в него, и хотя сейчас мы не имеем ни малейшего представления о том, как это можно сделать, опасно категорически отрицать такую возможность – нужно быть готовыми ко всему.

Есть и другое понятие – течение времени, которое кажется вполне ясным. Очевидно, что время – понятие одномерное, т.е. можно говорить о прошлом, настоящем и будущем. Потому и создаётся впечатление, что есть некая вечная нескончаемая река – «поток времени». Но физики считают иначе – они говорят, что 26 течение времени нельзя измерить. Часы измеряют не скорость течения времени, а временны?е интервалы. Мы присваиваем этим интервалам числовые значения, но эти числа сродни дорожным километровым столбикам. По автомобильному спидометру можно судить, с какой скоростью мы мчимся мимо этих столбиков, часы же не в состоянии сказать нам, насколько быстро проходят интервалы времени. Машина может разгоняться и тормозить, а спидометр будет показывать, как при этом изменяется скорость; часы для этого непригодны. Получается, что время, как и пространство, гораздо более загадочно, чем нам представляется.

С понятием пространства тесно связана геометрия, с которой, вероятно, все хоть немного знакомы. Самые древние и наиболее известные геометрические представления были сформулированы древнегреческим математиком Евклидом. Хотя о самом Евклиде мало что известно, его посвящённое геометрии сочинение «Начала» – одна из самых изучаемых книг в истории западной цивилизации; её издавали свыше тысячи раз. Геометрия, которую учат в школе, построена на книгах Евклида.

В начале этой небольшой книги приведены пять аксиом, т.е. истин, не требующих доказательств. Первые четыре кажутся более фундаментальными, чем пятая. В течение многих веков математики ломали над ней голову, пытаясь решить, действительно ли это аксиома или всего лишь теорема, которую можно доказать на основе других аксиом. Звучит она так: «Предположим, что имеется прямая линия и точка вне её. Тогда через эту точку можно провести одну и только одну прямую, параллельную первой».

Первым заметил брешь в этой, казалось бы очевидной, истине немецкий математик Карл Гаусс. Он понял, что евклидова геометрия в двух измерениях – это геометрия на плоскости. Он рассмотрел следствия перенесения этой геометрии на искривлённую поверхность (например, поверхность Земли) и заметил, что в этом случае пятая аксиома перестаёт быть справедливой. Чтобы понять, почему, рассмотрим на глобусе прямую линию, скажем отрезок меридиана; попробовав провести параллельную ему линию, легко убедиться, что это невозможно. Прямая линия на сфере представляет собой большой круг (например, меридиан). Прямая линия, проведённая параллельно другой прямой, обязательно пересечётся с ней – точно так же, как все меридианы пересекаются на земных полюсах.