Стивен Хокинг, Леонард Млодинов

Великий замысел

1. Тайна бытия

Все мы существуем лишь непродолжительный период времени и на его протяжении способны исследовать лишь небольшую часть мироздания. Но люди — существа любопытные. Мы задаемся вопросами, мы ищем на них ответы. Живя в этом огромном мире, который бывает то добрым, то жестоким, и вглядываясь в бесконечное небо, люди постоянно задаются множеством вопросов: Как мы можем понять мир, в котором оказались? Как ведёт себя Вселенная? Какова природа реальности? Откуда всё это возникло? Нуждалась ли Вселенная в создателе? Многие из нас не тратят много времени на эти вопросы, но почти все из нас когда-либо об этом задумывались.

Традиционно это философские вопросы, но философия мертва. Она отстала от современной науки, особенно физики. Теперь ученые приняли эстафету первооткрывателей в нашем поиске знаний. Цель этой книги — дать ответы, которые предлагают недавние открытия и достижения в теоретических исследованиях. Они подводят нас к новой картине Вселенной и нашего места в ней, отличной от традиционной и даже той картины, которую мы могли нарисовать всего лишь десятилетие или два назад. Однако первые наброски новой концепции можно отследить почти столетие назад.

Согласно традиционным представлениям о Вселенной, объекты перемещаются по четко определённым траекториям и имеют определённые предыстории. Мы можем определить их точное положение в любой момент времени. Хотя этот подход был успешным для повседневных задач, в 1920-х было установлено, что эти «классические» представления не могут объяснить, казалось бы, странное поведение, наблюдаемое на атомном и субатомном масштабах бытия. Вместо них было необходимо принять другую концептуальную модель, названную квантовой физикой. Квантовые теории оказались удивительно точными в предсказании событий на этих масштабах, а также в повторении предсказаний старых классических теорий[1] применительно к макроскопическим миру повседневной жизни. Но квантовая и классическая физика основаны на очень различных концепциях физической реальности.

Квантовые теории можно сформулировать по-разному, но, наверное, наиболее интуитивное определение было дано Ричардом (Диком) Фейнманом, колоритным персонажем, который работал в Калифорнийском Технологическом университете и играл на барабанах «бонго» в придорожном стриптиз-клубе. Согласно Фейнману, система имеет не только какую-то одну историю, но все возможные истории. В процессе поиска наших ответов мы детально разъясним Фейнмановский подход и используем его, чтобы рассмотреть идею о том, что сама Вселенная не имеет не только одной истории, но даже свободного бытия. Эта идея кажется радикальной даже для многих физиков. Несомненно, как и множество точек зрения в современной науке, эта выглядит нарушающей всякий здравый смысл. Однако, здравый смысл основан на повседневном опыте, а не на проявлениях Вселенной посредством чудес технологий, подобных тем, что позволяют устремить взор в глубины атома[2] или охватить им Вселенную целиком.

До появления современной физики было принято думать, что все знания мира могут быть получены путём непосредственного наблюдения, что вещи являются такими, какими выглядят и воспринимаются нашими органами чувств. Но волнующий успех современной физики, базирующейся на концепциях, подобных Фейнмановской, вступающей в противоречия с повседневным опытом, продемонстрировал, что это не так. Наивный взгляд на реальность, таким образом, не сочетается с современной физикой. Чтобы разрешить подобные парадоксы, нам следует применить подход, который мы называем модельно-зависимым реализмом. В его основе лежит идея, что наш мозг интерпретирует исходные данные, получаемые нашими органами чувств, посредством построения модели окружающего мира. Когда подобная модель позволяет успешно объяснить те или иные события, мы стремимся приписать ей, равно как и составляющим её элементам и концепциям, качество реальности или абсолютной истины. Но возможно существование различных способов, когда можно смоделировать такую же физическую ситуацию, но с использованием отличных фундаментальных составляющих и концепций. Если две такие физические теории или модели с достаточной степенью точности позволяют предсказать одни и те же события, одна из них не может считаться более реальной, нежели другая; более того, мы вольны использовать ту модель, которую сочтём наиболее подходящей.

В истории науки мы обнаруживаем последовательность совершенствующихся теорий или моделей, от Платона к классической теории Ньютона и далее к современным квантовым теориям. Возникает естественный вопрос: Достигнет ли эта последовательность конечной точки, сформировав абсолютную теорию Вселенной, включающую все силы и предсказывающую каждое наблюдение, которое мы сможем сделать, или же мы будем вечно продолжать открывать всё лучшие теории, так и не найдя ту, что не подлежит дальнейшему улучшению? Определённого ответа на этот вопрос у нас пока нет, однако есть кандидат на абсолютную теорию всего, если таковая в самом деле существует, и называется он M-теория. М-теория это единственная модель, обладающая всеми качествами, которые, по нашему мнению, должна иметь окончательная теория и это та теория, на которой основаны многие наши дальнейшие рассуждения.

М-теория не является теорией в обычном смысле этого слова. Это целое семейство различных теорий, каждая из которых способна описывать результаты наблюдений только в границах конкретных физических ситуаций. Это чем-то похоже на карту. Общеизвестно, что нельзя показать земную поверхность целиком на единственной карте. Обычная Меркаторская проекция, используемая для составления карт мира, заставляет области казаться все более крупными ближе к северу и югу и не распространяется на Северный и Южный полюсы. Чтобы получить точную карту всей земной поверхности, необходимо использовать набор карт, каждая из которых покрывает ограниченную область. Карты частично покрывают друг друга и в местах, где это происходит, они демонстрируют одинаковый ландшафт. М-теория подобна. Различные теории, составляющие семейство М-теории, могут выглядеть весьма несхожими, но все они могут рассматриваться как аспекты одной основной теории. Они являются версиями теории, применимыми только в ограниченных рамках — например, когда определённые величины, такие как энергия, малы. Подобно наложению карт в Меркаторовской проекции, там, где рамки различных версий накладываются друг на друга, они предсказывают то же самое явление. Но как не существует плоской карты, содержащей качественное представление земной поверхности целиком, так и не существует единственной теории, содержащей качественное представление результатов наблюдений для всех ситуаций.

Мы опишем, как М-теория может предложить ответы на вопросы сотворения мира. Согласно М-теории, наша Вселенная не является единственной в своём роде. Напротив, М-теория предсказывает существование огромного множества вселенных, созданных буквально из ничего. Их создание не требовало вмешательства какого-либо сверхъестественного существа или Бога. Скорее, эти множественные вселенные возникли естественным образом, как следствие физических законов. Они являются научным предположением. Каждая Вселенная имеет множество предысторий и множество возможных будущих состояний, то есть времена подобные настоящему, спустя долгий срок после их возникновения. Большинство из этих состояний будут значительно отличаться от условий той Вселенной, которую мы можем наблюдать, а также будут слабо подходить для существования любой формы жизни. Только малая часть из них позволит созданиям, подобным нам, существовать. Таким образом, наше присутствие выбирает из этого огромного массива только те вселенные, которые совместимы с условиями нашего существования. Это даёт нам ощущение себя как венцов творения, хотя мы слабы и незначительны.

Чтобы понять поведение Вселенной на самом глубоком уровне, нам необходимо понять не только как ведёт себя Вселенная, но и почему.



Почему что-либо присутствует, вместо того, чтобы отсутствовать?

Почему мы существуем?

Почему имеет место именно такой набор законов, а не какой-либо иной?



Это и есть Абсолютный Вопрос Жизни, Вселенной и Всего. Мы должны попытаться дать на него ответ в этой книге. И в отличие от ответа, данного в книге «Автостопом по Галактике», наш не будет являть собой число 42.

2. Власть закона

Сколль, волк, который должен пугать Луну, пока она летит к Древу Скорби Хати, волк из рода Хродвитнира, который должен преследовать Солнце. Речи Гримнира, Старшая Эдда
В мифологии викингов Сколль и Хати преследуют Солнце и Луну. Когда хотя бы один из волков ловит свою добычу, происходит затмение. Когда подобное случается, люди на Земле спешат освободить Солнце или Луну, производя как можно больше шума в надежде испугать волков. Похожие мифы существуют и в других культурах. Но по прошествии времени люди, должно быть, заметили, что Луна и Солнце вскоре выходят из состояния затмения, безотносительно к тому, бегают ли они с криками или пляшут с бубнами. Спустя какое-то время они должно быть также заметили, что затмения не происходят случайным образом, в их появлении имели место повторяющиеся закономерности. Наиболее очевидными подобные закономерности были для лунных затмений, что позволило древним вавилонянам предсказывать их достаточно точно, хотя они и не осознавали, что причиной лунных затмений была Земля, преграждающая путь лучам Солнца. Солнечные затмения было сложнее предсказать, поскольку их можно было видеть, только находясь на Земле в границах коридора шириной около 30 миль. Тем не менее, будучи однажды подмеченными, эти закономерности сделали понятным тот факт, что затмения не зависели от своевольных капризов сверхъестественных существ, а скорее подчинялись неким законам.

Не смотря на некоторые ранние успехи в предсказании движения небесных тел, наши предки считали, что большинство природных явлений невозможно предсказать. Вулканические извержения, землетрясения, штормы, эпидемии, а также вросшие ногти — всё это, казалось, случается без очевидных причин или закономерностей. В древние времена считалось естественным приписывать причины неистовства природы пантеону злых или недоброжелательных богов. Бедствия часто воспринимались как знак того, что мы чем-то прогневали богов. Например, около 5600 лет до нашей эры, извергся вулкан горы Мазама в Орегоне, выбрасывая камни и горящий пепел годами, повлекший многолетние дожди, заполнившие в итоге вулканический кратер, называющийся сейчас Озеро Кратер. У орегонских индейцев племени Кламат есть легенда, в которой описаны данные события, вплоть до геологических деталей, однако с добавлением драматических элементов, выставляющих человека виновником данной катастрофы. Способность человека чувствовать вину такова, что люди всегда изыскивают способы обвинить себя. Как гласит легенда, Лао, вождь Нижнего Мира, влюбился в красивую человеческую девушку, дочь вождя племени Кламат. Она отвергла его, и в отместку Лао попытался с помощью огня уничтожить племя Кламат. К счастью, согласно легенде, Скелл, вождь верхнего Мира, пожалел людей и вступил в битву со своим подземным оппонентом. В конечном счете, израненный Лао упал на гору Мазама, оставив огромную дыру, кратер, со временем заполнившийся водой.

Незнание законов природы приводило людей в древние времена к изобретению богов, распространяющих своё влияние на каждый аспект человеческой жизни. Были боги любви и войны, Солнца, земли и неба, океанов и рек, дождя и бурь, даже землетрясений и вулканов. Когда боги были довольны, человечество наслаждалось хорошей погодой, миром, а также свободой от природных катастроф и болезней. Будучи расстроенными и недовольными, они вызывали засухи, войны, мор и эпидемии. Поскольку причинно-следственные связи, лежащие в основе природных явлений, оставались невидимы человеческому глазу, пути богов представлялись непостижимыми и люди должны были уповать на их милость. Но с появлением Фалеса Милетского (прим. 624 до Р. Х. — прим. 546 до Р. Х.) около 2600 лет назад, положение дел начало меняться. Появилась идея, что природа следует непротиворечивым принципам, которые могут быть разгаданы. И вот так начался долгий процесс замещения представлений о власти богов концепцией Вселенной, управляемой законами природы и созданной по чертежам, которые мы когда-нибудь научимся читать.

С точки зрения хронологии человеческой истории, научные исследования являются весьма новым видом деятельности. Наш вид, человек разумный, зародился к югу от пустыни Сахара в Африке около 200 000 лет до Р. Х… Около 7000 лет до Р. Х. появился письменный язык, как продукт развития обществ, занимающихся выращиванием зерновых культур. (В некоторых из старейших надписей речь идёт о дневной норме пива, дозволенной каждому гражданину). Наиболее ранние записи великой древнегреческой цивилизации датируются 9 веком до Р. Х., но расцвет этой цивилизации, известный как «классический период», наступил несколькими веками позже, начавшись незадолго до 500 года до Р. Х… Согласно Аристотелю (384–322 до Р. Х.), это произошло примерно в то время, когда Фалес впервые разработал гипотезу о том, что мир может быть познан, что сложность событий, происходящих вокруг нас, может быть сведена к простым принципам и объяснена без использования мифологических или теологических толкований.

Фалесу приписывают первое предсказание солнечного затмения в 585 году до Р. Х., хотя высокая точность его предсказания, была, скорее всего, удачным совпадением. Он был загадочной личностью, не оставив после себя никаких своих письменных трудов. Его дом, являясь одним из интеллектуальных центров региона, колонизированного греками и называемого «Иония», оказывал влияние, распространившееся от Турции на запад, до Италии. Ионийская наука была предприятием, отмеченным значительным интересом к раскрытию основополагающих законов с целью получения объяснений природных явлений, знаменательной вехой в истории человеческих идей. Их подход был рационален и во многих случаях приводил к заключениям, удивительным образом совпадающим с теми, к которым наши, более изощрённые методы, приводят нас сегодня. Он представлял собой великое начинание. Но спустя столетия большинство ионийских научных знаний будут забыты — только для того, чтобы быть открытыми или изобретёнными заново, иногда не единожды.

Согласно легенде, первая математическая формула того, что сегодня мы могли бы назвать законом природы, восходит к ионийцу по имени Пифагор (прим. 580 до Р. Х. — 490 до Р. Х.), известному теоремой, названной в его честь и гласящей, что квадрат гипотенузы (длинная сторона) прямоугольного треугольника равен сумме квадратов двух других сторон. Говорят, что Пифагор обнаружил числовую связь между длиной струн, используемых в музыкальных инструментах, и гармоническими сочетаниями звуков. Говоря сегодняшним языком, мы могли бы описать эту связь, сказав, что частота — количество колебаний в секунду — для струны, колеблющейся при постоянной величине натяжения, обратно пропорционально длине струны. С практической точки зрения это объясняет, почему бас-гитары должны иметь более длинные струны, нежели обычные гитары. Возможно, и не Пифагор открыл это — он также не открывал теорему, носящую его имя — ведь существует свидетельство, что зависимость между длинной струны и высотой звука была известна в его время. Если это так, то можно назвать эту простую математическую формулу первым примером того, что нам в настоящее время известно, как теоретическая физика.

Отдельно от закона струн Пифагора единственными физическими законами, которые точно были известны древним, являются три закона, подробно описанные Архимедом (прим. 287 до Р. Х. — прим. 212 до Р. Х.), гораздо более известным физиком античности. В сегодняшней терминологии закон рычага объясняет, что малыми силами может быть поднят большой вес, потому что рычаг увеличивает силу согласно отношению расстояний от точки опоры рычага. Закон плавучести гласит, что любой объект, помещённый в жидкость, будет испытывать выталкивающую силу, равную весу вытесненной объектом жидкости. И закон отражения утверждает, что угол между лучом света и зеркалом будет равен углу между зеркалом и отражённым лучом. Однако сам Архимед не называл их законами, он также не объяснял их со ссылками на результаты наблюдений и измерений. Вместо этого он рассматривал их как чисто математические теоремы, являющиеся частью, не требующей доказательств системы, весьма схожей с той, что Эвклид создал для геометрии.

По мере распространения ионийского влияния появлялись и другие люди, способные увидеть, что во Вселенной присутствует определённого рода порядок, который может быть понят посредством наблюдений и формирования умозаключений. Анаксимандр (прим. 610 до Р. Х. — прим. 546 до Р. Х.), друг и, возможно, ученик Фалеса, утверждал, что поскольку человеческие младенцы при рождении абсолютно беспомощны, то если бы первый человек каким-либо образом появился бы на Земле, будучи младенцем, то не смог бы выжить. В дальнейшем, и это можно отметить как первый в истории человечества намёк на эволюцию, Анаксимандр обосновывал, что люди должны были, таким образом, развиться из других животных, чьи детёныши более выносливы. На Сицилии Эмпедокл (прим. 490 до Р. Х. — прим. 430 до Р. Х.) наблюдал за использованием инструмента, называющегося клепсидра. Иногда используемый в качестве черпака, он представляет собой сферу с открытым горлышком и небольшими отверстиями в дне. Будучи погружён в воду, он наполняется и, если затем закрыть горловину, клепсидру можно поднять без вытекания воды через отверстия на дне. Эмпедокл заметил, что если закрыть горловину перед погружением, то клепсидра не заполняется. Он аргументировал это тем, что нечто невидимое должно быть препятствует поступлению воды через отверстия в сферу — таким образом он открыл материю, которую мы называем воздухом.

Приблизительно в то же время Демокрит (прим. 460 до Р. Х. — прим. 370 до Р. Х.), проживающий в ионийской колонии в северной Греции, размышлял, что происходит, когда предмет ломают или разрезают на части. Он утверждал, что вы не сможете продолжать этот процесс бесконечно. Вместо этого он постулировал, что всё сущее, включая всех живых существ, состоит из элементарных частиц, которые не могут быть разрезаны или разломаны на части. Он назвал эти предельные частицы атомами, от греческого прилагательного, означающего «неделимый». Демокрит полагал, что даже материальные явления являются результатом взаимодействия атомов. С его точки зрения, получившей название атомизм, все атомы в пространстве движутся и, до тех пор, пока на них не оказывается воздействие, продолжают своё движение неопределённое время. Сегодня эта гипотеза называется законом инерции.

Революционная идея о том, что мы всего лишь обычные жители Вселенной, а не особые существа, призванные служить её центром, впервые отстаивалась Аристархом (прим. 310 до Р. Х. — прим. 230 до Р. Х.), одним из последних ионийских учёных. До наших дней дошло только одно из его вычислений, сложный геометрический анализ тщательных наблюдений, которые он производил, замеряя размер земной тени на поверхности Луны во время лунного затмения. Из своих наблюдений он сделал вывод, что Солнце должно намного превосходить размерами Землю. Возможно, вдохновлённый идеей о том, что малые объекты должны обращаться вокруг гигантских, а не наоборот, он стал первым человеком, утверждающим, что Земля не является центром нашей планетарной системы, а напротив, она и другие планеты вращаются по орбитам вокруг Солнца. Малый шаг от понимания того, что Земля это всего лишь одна из планет до идеи о том, что наше Солнце также не является чем-то особенным. Аристарх думал, что дело обстоит именно так и полагал, что звезды, которые мы видим на ночном небе, на самом деле не что иное как далёкие Солнца.

Ионийцы были одной из многих школ древнегреческой философии, каждая из которых имела отличающие её и зачастую противоречивые традиции. К сожалению, ионийский взгляд на природу — что она может получить объяснение посредством общих законов и сведения к простому набору принципов — оказывал мощное влияние лишь на протяжении нескольких столетий. Одним из объяснений этого, является то, что в ионийских теориях, часто казалось, нет места для понятий свободной воли, целеполагания или концепции того, что боги вмешиваются в происходящее на Земле. Это было поразительным упущением, весьма тревожащим как древнегреческих мыслителей, так и многих людей сегодня. Философ Эпикур (341–270 до Р. Х.), к примеру, выступал против атомизма основываясь на том, что «лучше следовать мифам о богах, чем стать рабом в судьбе натурфилософов». Аристотель также отвергал концепцию атомов, поскольку не мог принять тот факт, что человеческие существа состоят из бездушных неживых объектов. Ионийская идея о том, что человек не является центром Вселенной, была ключевой вехой в нашем понимании космоса, но стоит отметить, что, будучи высказанной, эта идея не стала распространённой и общепризнанной, до появления Галилея, почти двадцатью столетиями позже.

Какими бы проницательными порой не были их размышления о природе, большинство идей древних греков не могли бы соответствовать требованиям, предъявляемым к научным теориям в наше время. Например, поскольку греки не изобрели научный метод, разработка их теорий не предполагала получения экспериментального подтверждения. Таким образом, если один учёный утверждал, что атом движется прямолинейно до тех пор, пока не столкнётся с другим атомом, а другой учёный заявлял, что атом движется по прямой до тех пор, пока не столкнётся с циклопом, не существовало объективного способа разрешить подобное противоречие. Также, отсутствовали чёткие различия между человеческими и физическими законами. В пятом веке до Р. Х., к примеру, Анаксимандр писал, что все вещи появляются из некоей первичной субстанции и возвращаются в неё, чтобы «заплатить штраф и претерпеть наказание за их недостойное поведение». Согласно ионийскому философу Гераклиту (прим. 535 до Р. Х. — прим. 475 до Р. Х.), Солнце ведёт себя так, а не иначе, потому что, в противном случае, оно станет объектом преследования со стороны богини правосудия. Несколькими столетиями спустя, стоики — греческая философская школа, возникшая около третьего века до Р. Х., ввели различие между состояниями, свойственными человеку и законами природы. Однако они включили правила человеческого поведения, считавшиеся ими универсальными, такими как поклонение Богу и почитание родителей, в категорию законов природы. И наоборот, они часто описывали физические процессы в юридических терминах и полагали, что на эти процессы может быть оказано таким образом воздействие, несмотря на то, что объекты, от которых требовалось «повиновение» законам, являлись неодушевлёнными. Если вам представляется сложной задача заставить людей соблюдать правила дорожного движения, представьте себе процесс убеждения, направленный на астероид, с целью заставить его двигаться по эллиптической орбите.

Эта традиция продолжала оказывать влияние на мыслителей, преемников греков, на протяжении многих столетий. В тринадцатом веке раннехристианский философ Фома Аквинский (прим. 1225–1274) принял эту точку зрения и использовал её для доказательства существования Бога, написав, «Является несомненным, что [неодушевлённые тела] достигают своего конца не случайно, но намеренно… Существует, таким образом, разумное существо, чьей волей всё в природе направляется к завершению». Даже в конце шестнадцатого века, великий немецкий астроном Кеплер (1571–1630) полагал, что планеты обладают чувством восприятия и сознательно следуют законам движения, заложенным в их рассудок.

Понятие о законах природы как о том, чему следует неукоснительно повиноваться отражает тот факт, что внимание древних было сосредоточено на том, почему природа ведёт себя тем или иным образом, а не на том как она это делает. Аристотель был одним из ведущих сторонников такого подхода, отвергая идею науки, основывающейся преимущественно на наблюдениях. В любом случае, производить точные измерения и математические вычисления в древние времена было затруднительно. Десятичная система, которую мы находим столь удобной для арифметических вычислений, датируется примерно 700 годом нашей эры, когда индусы достигли первых успехов в превращении данного метода в мощный инструмент. Обозначение знаков «плюс» и «минус» не было известно до пятнадцатого века. Также до шестнадцатого века не были известны знак равенства и часы, которые позволили бы измерить время с точностью до секунды.

Аристотель, однако, не видел проблем в измерении и вычислении как препятствия для развития физики, которая могла произвести количественные предсказания. Скорее он не видел потребности делать их. Вместо этого Аристотель построил свою физику на принципах, которые привлекали его интеллектуально. Он исключал факты, которые находил непривлекательными и сосредотачивал усилия на выявлении причин, по которым происходят события, уделяя относительно мало внимания тому, что именно происходит. Аристотель только тогда корректировал свои заключения, когда их вопиющее расхождение с результатами наблюдений уже нельзя было игнорировать. Однако вносимые исправления зачастую являлись специальным образом подобранными объяснениями, которые были не более чем попытками скрыть суть противоречия. Таким образом, независимо от степени расхождения его теории с действительным положением дел, он всегда мог внести в неё правки в объёме, достаточном для устранения противоречий. К примеру, его теория движения определяла, что тяжёлые тела падают с постоянной скоростью, пропорциональной их весу. Для объяснения того факта, что скорость объектов при падении очевидным образом возрастала, он изобрёл новый принцип, декларирующий, что поведение тел приобретает «ликующий» характер и, следовательно, они ускоряются, приближаясь к месту обретения покоя. Сегодня подобный принцип выглядит применимым для описания скорее отдельной категории людей, нежели неодушевлённых объектов.

Хотя теории Аристотеля зачастую имели низкую прогнозную ценность, его подход к науке преобладал в западном мышлении почти две тысячи лет.

Христианские последователи древних греков отвергли гипотезу о том, что Вселенная управляется беспристрастными законами природы. Также они отвергли идею о том, что люди не занимают во Вселенной привилегированную позицию. И хотя в средние века не существовало единой связной философской системы, объединяющим моментом было представление о Вселенной как о игровой площадке Бога, а изучать религию представлялось значительно более ценным, нежели природные явления. В самом деле, в 1277 году парижским епископом Темпьером, действующим по указанию Папы Иоанна XXI, был опубликован список 219 ошибок или ересей, которые считались неприемлемыми. В числе ересей, как вступающая в противоречие с идеей всемогущества Бога, находилась и гипотеза о природе, подчиняющейся законам. Интересно, что Папа Иоанн пал жертвой закона гравитации[3] несколькими месяцами спустя, когда крыша его дворца обрушилась на него.

Современная концепция законов природы появилась в семнадцатом веке. Кеплер, похоже, был первым учёным, в значении, которое вкладывает в этот термин современная наука, хотя, как было сказано ранее, он сохранял анимистический взгляд на природу физических объектов. Галилей (1564–1642) не использовал термин «закон» в своих наиболее известных научных трудах (хотя такой термин появлялся в некоторых переводах этих работ). Использовал он этот термин или нет, но Галилей открыл огромное множество законов и отстаивал значение принципов, согласно которым наблюдение лежит в основе науки и предназначением науки является исследование количественных связей, существующих между физическими явлениями. Однако, человеком, который недвусмысленно и чётко сформулировал понятие законов природы в их современном понимании, был Рене Декарт (1596–1650).

Декарт полагал, что все физические явления должны быть объяснены в терминах столкновения движущихся масс, управляемых тремя законами — предшественниками знаменитых Ньютоновских законов движения. Он утверждал, что эти законы природы выполняются в любом месте и в любое время и недвусмысленно указывал, что подчинение этим законам не подразумевает разумности движущихся тел. Декарт также понял значимость того, что мы сегодня называем «исходными условиями». Они описывали состояние системы в начале произвольного промежутка времени, в течение которого наблюдатель строит прогнозы. При заданном наборе исходных условий законы природы определяют, как система будет развиваться с течением времени, но без заданных исходных условий характер развития определить невозможно. Если, к примеру, в момент начала отсчёта времени голубь, находящийся непосредственно над наблюдателем, роняет вниз свой «гостинец», траектория данного падающего объекта определена законами Ньютона. Но результат может весьма различаться, в зависимости от того, сидит ли в момент начала отсчёта времени голубь неподвижно на телефонном проводе или же находится в состоянии полёта со скоростью 20 миль в час. Для применения законов природы наблюдатель должен знать о состоянии системы в момент начала наблюдений или, по меньшей мере, о её состоянии в определённый момент времени. (Наблюдатель может также использовать законы природы, чтобы определить состояние системы в прошлом).

По мере возрождения веры в существование законов природы имели место и новые попытки примирить эти законы с концепцией существования Бога. Согласно Декарту, Бог может по желанию изменять истинность или ложность этических суждений или математических теорем, но не природа. Он полагал, что Бог предопределил законы природы, но не имел возможности выбора в этом процессе; напротив, он выбрал их потому, что законы, влияние которых мы испытываем, являлись единственно возможным выбором. Это могло показаться посягательством на власть Бога, но Декарт обошёл этот момент, утверждая, что неизменность этих законов является отражением присущих самому Богу качеств. Если бы это было правдой, можно было бы предположить, что у Бога всё ещё есть возможность создания многообразных различных миров, каждый из которых характеризовался бы различным набором исходных условий. Однако Декарт это также отрицал. Независимо от способов организации материи в момент появления Вселенной, утверждал он, спустя время, в процессе развития появится мир идентичный нашему. Более того, Декарт предполагал, что Бог, единожды сотворив мир, оставил его в полном одиночестве.

Подобное положение (с некоторыми исключениями) было принято Исааком Ньютоном (1643–1727). Ньютон был человеком, добившимся со своими тремя законами движения и законом земного притяжения принятия современной концепции физического закона. Его законы позволяли производить расчёты орбит Земли, Луны и планет, а также объясняли такие явления, как приливы. Небольшое количество уравнений, разработанных им, а также развитая нами на из основе математическая база, всё ещё изучаются сегодня и применяются как архитектором при проектировании здания, так и инженером, проектирующим автомобиль или физиком, производящим расчёты, для точного нацеливания ракеты, предназначающейся к посадке на Марс. Как писал поэт Александр Поуп:



Был этот мир извечной тьмой окутан;
Да будет свет! — и вот явился Ньютон.



Сегодня большинство учёных сказали бы, что закон природы это правило, опирающееся на результаты регулярных наблюдений и позволяющее делать прогнозы, распространяющиеся за пределы наблюдаемой ситуации. К примеру, мы могли бы заметить, что Солнце восходит на востоке каждое утро нашей жизни и постулировать закон, гласящий «Солнце всегда восходит на востоке». Данное утверждение является обобщением, распространяющимся за пределы наших наблюдений за восходящим Солнцем, и формирует проверяемый прогноз на будущее. С другой стороны, заявление «Компьютеры в этом офисе — чёрные» не является законом природы, поскольку относится только к компьютерам, находящимся внутри офисного помещения и не позволяет делать прогнозы вроде «Если в мой офис купят новый компьютер, он будет чёрным».

Наше современное понимание термина «закон природы» является предметом спора философов с момента появления и это более тонкий вопрос, нежели может показаться на первый взгляд. К примеру, философ Джон У. Кэрролл сравнивал утверждение «Все золотые шары — менее мили в диаметре» с утверждением «Все шары, состоящие из урана-235 — менее мили в диаметре». Наши наблюдения окружающего мира подтверждают, что не существует золотых шаров в милю шириной и, с достаточной степенью уверенности, можно считать, что их никогда и не будет. Тем не менее, у нас нет причин полагать, что появление такого шара невозможно и, следовательно, данное утверждение не может считаться законом. С другой стороны, утверждение, что «Все шары, состоящие из урана-235 — менее мили в диаметре» могло бы считаться законом природы, потому, что согласно нашим знаниям о ядерной физике, если шар, состоящий из урана-235, превысит диаметр шесть дюймов, он уничтожит себя в процессе ядерного взрыва. Таким образом, мы можем быть уверены, что подобные шары не существуют. (Предпринимать попытки создания такого шара — не самая лучшая идея!) Это различие важно, поскольку показывает, что не все обобщения, которые мы формируем в процессе наблюдений, могут считаться законами природы и что большинство законов природы являются компонентами более объёмной, взаимосвязанной системы законов.

В современной науке законы природы обычно записываются посредством математических формул. Они могут быть точными или приблизительными, но всегда без исключения должны обеспечивать возможность проверки посредством наблюдения, если и не в любом случае то, как минимум, для заданного набора условий. Например, нам теперь известно, что законы Ньютона должны быть изменены в случае, если объекты движутся со скоростями, близкими к скорости света. И всё же, мы считаем законы Ньютона законами, поскольку они обеспечивают как минимум очень высокое приближение результатов получаемых при измерениях, для условий повседневного мира, в котором скорости, с которыми мы имеем дело, гораздо ниже скоростей света.

Если природа управляется законами, возникает три вопроса:



1. Что является первоисточником этих законов?

2. Существуют ли исключения из законов, например, чудеса?

3. Единственный ли комплект законов существует?



Эти важные вопросы различным образом рассматривались учёными, философами и теологами.

Ответ, традиционно даваемый на первый вопрос — ответ Кеплера, Галилея, Декарта и Ньютона — гласил, что законы это дело рук божьих. Однако это есть не что иное, как определение Бога, являющегося воплощением законов природы. И если только исследователь не наделяет Бога иными атрибутами, присущими, к примеру, Богу Ветхого Завета, использование Бога в качестве ответа на первый вопрос есть не что иное, как замена одной загадки другой. Таким образом, включив Бога в ответ на первый вопрос, мы услышим отчётливый хруст в основании второго вопроса: существуют ли чудеса, исключения из законов?

Различия во мнениях касательно ответа на второй вопрос имеют чётко выделенный характер. Платон и Аристотель, наиболее влиятельные древнегреческие авторы, придерживались мнения, что из законов не существует исключений. Если же принять библейскую точку зрения, то Бог не только создал законы, но также может быть подвигнут посредством молитв на создание исключений, таких как исцеление неизлечимо больного, досрочное прекращение засухи или восстановления крокета как олимпийского вида спорта. В противоположность декартовской точке зрения, почти все христианские мыслители придерживались мнения, что Бог должен обладать возможностью временно приостанавливать действие законов для совершения чудес. Даже Ньютон в некотором роде верил в чудеса. Он думал, что орбиты планет могли быть нестабильны потому, что гравитационное притяжение одной планеты к другой могло вызывать нарушение орбит, которое, увеличиваясь со временем, могло иметь результатом как падение планет на Солнце, так и выбрасывание их за пределы солнечной системы. Бог, полагал он, должен постоянно регулировать орбиты или, другими словами, «подводить небесные часы, не позволяя им останавливаться». Однако Пьер-Симон, маркиз де Лаплас (1749–1827), более известный как Лаплас, утверждал, что указанные возмущения могли быть периодическими, что являлось, скорее, свидетельством повторяющихся циклов, нежели кумулятивного эффекта. Солнечная система, таким образом, могла сама восстанавливать своё состояние и, чтобы объяснить, как она смогла дожить до сегодняшнего дня, в божественном вмешательстве необходимости не было.

С именем Лапласа обычно связывают первую четкую формулировку научного детерминизма: для данного состояния Вселенной в конкретный момент времени, существует комплект законов, позволяющий полностью определить как будущее, так и прошлое её состояния. Это могло бы исключить возможность чудес или лишило Бога возможности играть активную роль. Научный детерминизм, сформулированный Лапласом, это ответ современных учёных на второй вопрос. Это, по сути, основа всей современной науки и принцип, важность которого неизменна на всём протяжении данной книги. Научный закон не является таковым, если действует только тогда, когда некая сверхъестественная сущность принимает решение не вмешиваться. Говорят, что поняв это, Наполеон спросил Лапласа о том, какое место занимает Бог в этой картине мира. Лаплас отвечал: «Сэр, я не нуждался в этой гипотезе».

Поскольку люди живут во Вселенной и взаимодействуют с другими её объектами, научный детерминизм должен быть также применим и к людям. Многие, однако, соглашаясь с тем, что научный детерминизм определяет течение физических процессов, хотели бы сделать исключение для поведения людей, основываясь на вере в наличие у нас свободной воли. Декарт, к примеру, для защиты идеи свободной воли утверждал, что разум человека не принадлежит физическому миру и не следует его законам. По его мнению, личность состоит из двух составных частей, тела и души. Тела — это не что иное, как заурядные машины, но души не попадают в сферу действия научных законов. Декарт проявлял интерес к анатомии и физиологии и считал небольшой орган в центре мозга, носящий название шишковидного тела, местом, в котором располагается душа. Эта железа, по его мнению, был местом, где формируются все наши мысли, источник нашей свободной воли. У людей есть свобода воли?

Если мы обладаем свободной волей, то в каком месте эволюционного древа произошло её развитие? Обладают ли свободной волей сине-зелёные водоросли или бактерии, или их поведение автоматично и полностью в рамках законов науки? Только ли многоклеточные организмы обладают свободной волей, или она присуща лишь млекопитающим? Мы можем считать, что шимпанзе являет пример свободной воли, решив погрызть банан, или кошка, когда она потрошит ваш диван, но что насчёт круглого червя Caenorhabditis elegans — простого существа, состоящего всего из 959 клеток? Он, вероятно, никогда не думает, «А это была чертовски вкусная бактерия, что досталась мне на прошлый обед», хотя у него есть пищевые предпочтения и он, основываясь не недавнем опыте, либо выберет непривлекательную пищу, либо отправится на поиски чего получше.

Это ли пример свободной воли? Хотя мы и чувствуем, что можем выбирать что делать, наше понимание молекулярных основ показывает, что биологические процессы подчиняются законам физики и химии и, таким образом, также предопределены, как и орбиты планет. Недавние исследования в неврологии подтверждают точку зрения, согласно которой именно наш физический мозг, следуя известным законам науки, определяет наши действия, а вовсе не какая-то сила, существующая за пределами этих законов. К примеру, исследования пациентов, переносящих операции на мозге в состоянии бодрствования, показали, что воздействие электрическими импульсами на отдельные области мозга способно вызвать у пациента желание шевельнуть кистью, рукой, ногой, а также пошевелить губами или заговорить. Сложно представить, как свободная воля может действовать, если наше поведение определено физическими законами, так что, по-видимому, мы являемся ничем иным, как биологическими машинами, а свобода воли — это всего лишь иллюзия.

Признавая, что человеческое поведение в действительности определяется законами природы, также следует заключить, что результат, определяемый настолько сложным способом и при наличии столь многих переменных величин, является практически непредсказуемым. Для его получения потребовалось бы знание о изначальном состоянии каждой из тысяч триллионов триллионов молекул человеческого тела и решение большого числа уравнений. Это заняло бы несколько миллиардов лет, что многовато для случаев когда, например, требуется всего лишь увернуться от замахнувшегося противника.

Поскольку непрактично применять основные физические законы для предсказания поведения людей, мы принимаем то, что называется действующей теорией. В физике под действующей теорией понимается структура, созданная с целью моделирования определённых наблюдаемых явлений, без детального описания всех основных составляющих процессов. Например, мы не в состоянии точно решить уравнения, определяющие гравитационные взаимодействия каждого атома в человеческом теле с каждым атомом Земли. Но, для практических целей, гравитационная сила возникающая между человеком и поверхностью земли, может быть описана в виде всего нескольких чисел, таких, как общая масса тела человека. Подобным же образом, мы не в состоянии решить уравнения, определяющие поведение сложных атомов и молекул, но мы разработали действующую теорию, называемую химией, которая обеспечивает достаточное объяснение поведения атомов и молекул во время химических реакций, без необходимости учёта каждой детали взаимодействий. В случае же с людьми, раз уж мы не можем решить уравнения, определяющие наше поведение, мы применяем действующую теорию о наличии у людей свободной воли. Наукой, изучающей нашу волю и обусловленное ею поведение, является психология. Экономика также является действующей теорией, основанной на понятии свободной воли и допущении, что люди оценивают различные возможные варианты действий и выбирают наилучший. Действующая теория является умеренно успешной в части предсказания поведения, поскольку, как всем нам известно, решения зачастую являются нерациональными или основанными на неполном анализе последствий того или иного выбора. Вот поэтому-то в мире и царит такой беспорядок.

Третий вопрос рассматривает, являются ли законы, определяющие поведение Вселенной и человека единственными в своём роде? Если на первый вопрос вы ответили, что Бог создал законы, тогда этот звучит следующим образом: была ли у него свобода выбора? Аристотель и Платон, как и Декарт, а позднее Эйнштейн считали, что принципы, лежащие в основе природы, существуют за пределами каких-либо «требований», поскольку являются единственными законами, формирующими рациональные объяснения. Следуя убеждению в том, что своему происхождению законы природы обязаны логике, Аристотель и его последователи полагали, что таковые законы должны «выводиться» без оглядки на то, как на самом деле ведёт себя природа. Это, а также размышления на тему, почему объекты следуют законам, вместо конкретизации того, чем законы являлись, привело его к созданию по большей части законов, выражаемых в качественной форме. Законов, которые зачастую были неверны и не принесли особой пользы, несмотря на то, что доминировали в научной мысли многие века. Много позже, люди, такие как Галилей, осмелились бросить вызов авторитету Аристотеля и наблюдали за тем, как на самом деле происходят природные явления, вместо принятия на веру того, что, согласно чистой воды «соображениям», должно было происходить.

Корни этой книги лежат в концепции научного детерминизма, который подразумевает, что ответ на второй вопрос не предполагает наличия чудес или исключений из законов природы. Мы постараемся, однако, дать более глубокие ответы на первый и третий вопросы, темы которых: как возникают законы и являются ли эти законы единственно возможным выбором. Но прежде всего, в следующей главе, мы постараемся изложить, что же, собственно, описывают законы природы. Большинство учёных сказали бы, что они являются математическим отражением внешней реальности, существующей независимо от наблюдателя. Но как только мы начинаем размышлять привычным способом, наблюдая и формируя концепции о нашем окружении, то тут же упираемся в вопрос: есть ли у нас основания полагать, что объективная реальность существует?

3. Что есть реальность?

Несколько лет назад городской совет Монцы, Италия, запретил держать золотых рыбок в круглых аквариумах для золотых рыбок. Инициатор закона объяснил свою позицию тем, что держать рыбок в круглом аквариуме жестоко, так как реальность за его пределами будет представать для них в искаженном виде. Но как нам знать, как выглядит неискаженная реальность? Не может ли оказаться, что мы сами внутри большого аквариума и наше видение искажено гигантскими линзами? Картина реальности рыбки отличается от нашей, но можем ли мы быть уверены, что она менее реальна?

Зрительные образы золотой рыбки отличаются от наших, но она всё же могла бы формулировать научные законы движения объектов, наблюдаемых из своего аквариума. Например, из-за искажения, свободно движущийся объект, движущийся по прямой линии, за которым наблюдаем мы, для золотой рыбки будет казаться движущимся по кривой. Тем не менее, золотые рыбки могут вывести относительно их искаженной системы отсчета, свои, истинные для любых явлений научные законы, что дало бы им возможность прогнозирования движения объектов за пределами чаши. Ее законы будут сложнее, чем наши, но то, что просто для одного, может быть сложно другому. Если бы рыбка сформулировала такую теорию, то мы были бы обязаны допустить реальность ее картины мира.

Знаменитый пример разного видения реальности — модель описания движения астрономических тел, предложенная Птолемеем около 150 г. н. э. Птолемей опубликовал свою работу в тринадцатикнижном трактате, более известным под своим арабским названием Альмагест. Альмагест начинается с объяснения причин полагать, что Земля шарообразна, неподвижна, находится в центре Вселенной и ничтожно мала в сравнении с расстоянием до небес. Несмотря на гелиоцентрическую модель Аристарха, эти убеждения поддерживались самыми образованными греками, как минимум, со времен Аристотеля, который верил в мистические причины нахождения Земли в центре Вселенной. В модели Птолемея Земля оставалась неподвижной в центре, а планеты и звёзды двигались вокруг неё по сложным орбитам, включающих эпициклы, подобно движению колеса по колесу.

Модель казалась естественной, потому что мы не чувствуем движение земли под ногами (исключая случаи вроде землетрясения или переполнения эмоциями). Позднее европейское учение было основано на греческих представлениях о мире, которые уже распространились. Так, идеи Аристотеля и Птолемея стали базисом для многих европейских мыслителей. Модели Вселенной Птолемея была принята Католической церковью и стала официальной доктриной на протяжении четырнадцати столетий. Так было до 1543 года, пока Коперник не предложил альтернативную модель в своей книге «De revolutionibus orbium coelestium» («Об обращении небесных сфер»), опубликованной лишь в год его смерти (это при том, что работал он над своей теорией несколько десятков лет).

Коперник, как и Аристарх примерно за семнадцать веков до него, описал мир, где Солнце находится в состоянии покоя, а планеты обращаются вокруг него по круговым орбитам. Хоть идея и не была нова, ее возрождение встретило страстный отпор. Модель Коперника противоречила Библии, которая представлялась утверждающей, что планеты обращаются вокруг Земли, даже если Библия этого никогда прямо не заявляла. В сущности, в свое время Библия была написана людьми, которые считали Землю плоской. Модель Коперника привела к бурным дебатам по поводу того, действительно ли Земля неподвижна. Они достигли накала, когда Галилей в 1633 году за защиту модели Коперника, а также за мнение о том, что «можно придерживаться противного Священному Писанию мнения и защищать его как правдоподобное», был обвинен в ереси. Его признали виновным, посадили под домашний арест на всю оставшуюся жизнь и заставили отречься от своих взглядов. Как говорят, он пробормотал: «Eppur si muove» («И все-таки она вертится!»). В 1992 году Римская Католическая Церковь наконец признала, что приговор Галилею был несправедлив.

Так какая же модель верна: система Птолемея или система Коперника? Хотя часто можно услышать, что Коперник доказал, будто Птолемей ошибается, это не так. Как и в случае обыкновенного для нас восприятия, противоречащего восприятию золотых рыбок, каждый может использовать чужую картину в качестве модели Вселенной, ибо наши наблюдения за небесами можно объяснить как тем, что Земля находится в состоянии покоя, так и тем, что в состоянии покоя находится Солнце. Забудем о роли системы Коперника в философских дебатах по поводу природы нашей Вселенной. Реальное преимущество этой системы заключается в том, что совокупность факторов движения будет гораздо проще в той схеме, где Солнце неподвижно.

Особый вид альтернативной реальности можно встретить в научно-фантастическом фильме «Матрица», где человечество неосознанно живет в моделируемой виртуальной реальности, созданной разумными компьютерами для того, чтобы подавить и усмирить людей, в то время как компьютеры питаются их биоэлектрической энергией (что бы под этим ни подразумевалось). Возможно, это не настолько неправдоподобно, потому что много людей предпочитают проводить свое время в моделируемой действительности веб-сайтов, таких как Вторая Жизнь. Как понять, что мы не персонажи мыльной оперы, постановщиком которой является компьютер? Если бы мы жили в синтетическом воображаемом мире, события не обязательно имели бы какую-то логику или последовательность или подчинялись законам. Инопланетяне-экспериментаторы могли бы найти занятным или забавным посмотреть на наши реакции, если, например, полная Луна расколется надвое или если люди со всего мира, сидящие на диете, вдруг почувствуют непреодолимую тягу к поеданию тортов с банановым кремом. Но если бы инопланетяне навязывали нам логичные законы, то мы не могли бы сказать, что есть иная реальность за этой, имитированной. Было бы легко назвать мир инопланетян «реальным», а синтетический — «ложным». Но если существа это симулированного мира не могут, как мы, увидеть свою Вселенную извне, для них не было бы причин сомневаться в своей картине мира. Это современная версия той мысли, что все мы — лишь персонажи чьего-то сна.

Эти примеры приводят нас к заключению, которое является важной частью этой книги: нет никакой картины (или теории) независимой концепции реальности. Вместо этого мы примем идею, которую назовем «модельно-зависимый реализм»: идея, что физическая теория или картина мира — это модель (главным образом математической природы) и комплекс правил, которые соединяют элементы этой модели в наблюдении. Это создаст каркас для интерпретации современной науки.

Со времен Платона философы спорят о природе реальности. Классическая наука основана на вере, что существует настоящий внешний мир, свойства которого точны и независимы для наблюдателя, воспринимающего их. Согласно классической науки, точные объекты существуют и имеют такие физические свойства, как скорость и масса, имеющие определенную величину. С этой точки зрения наши теории — попытки описать эти объекты и их свойства, и наши измерения и ощущения соответствуют им. И наблюдатель и наблюдаемый является частями мира, у которого есть объективное существование, и какие-либо различия между ними не имеют значащего значения. Другими словами, если вы видите стадо зебр борющихся за место в гараже, это потому, что там действительно стадо зебр ведет борьбу за место в гараже. Все другие наблюдатели, которые оценивают, измерят те же самые свойства, и у стада будут те же свойства, независимо наблюдает кто-либо за ними или нет. В философии эту веру называют реализмом.

Хотя реализм может быть заманчивой точкой зрения, как мы увидим позже, но то, что мы знаем о современной физике, делает его трудным для защиты. Например, в соответствии с принципами квантовой механики, которая является точным описанием природы, частицы не имеют, как ни определенного положения в пространстве, так и ни определенной скорости и пока эти величины измеряются наблюдателем. Поэтому не будет правильным утверждение, что измерение дает определенный результат, потому что измеряемые величины не имеют смысла на момент измерения. Фактически, в некоторых случаях отдельные объекты даже не имеют независимого существования, а скорее существуют как часть ансамбля многих частиц. И, если теория, называемая «голографическим принципом», окажется верной, то мы и наш четырехмерный мир можем быть тенями на границе большего мира, пятимерного пространственного-временного континуума. В этом случае, наш статус во Вселенной аналогичен статусу золотой рыбки.

Строгие реалисты часто утверждают, что доказательство этих научных теорий представляет действительность, в чем и заключается их успешность. Но различные теории могут успешно описывать те же феномены через несоизмеримые концептуальные структуры. Фактически, многие научные теории, которые оказались успешными, позднее были заменены другими, одинаково успешными теориями, основанные на более новых понятиях реальности.

Традиционно, те, кто не принимает реализм, именуются антиреалистами. Антиреалисты указывают на различия между эмпирическим знанием и теорией. Как правило, они утверждают, что наблюдение и эксперимент являются содержательными, а теории являются не более, чем полезными инструментами, которые не заключают в себе каких-либо более глубоких истин, лежащих в основе наблюдаемых явлений. Некоторые антиреалисты даже хотели свести всю науку только к объективно наблюдаемым явлениями. По этой причине, в девятнадцатом веке многие отклоняли гипотезу об атомах на основании того, что нам никогда не удавалось увидеть ни один из них. Джордж Беркли (1685–1753) даже пришел к тому, что не существует ничего, кроме разума и его мыслей. Когда друг английского автора и лексикографа доктора Самюэля Джонсона (1709–1784) заметил, что утверждение Беркли не может быть опровергнуто, то Джонсон, как утверждают, ответил, подойдя к большому камню, пнув его, и объявив, «Я отвергаю это таким образом». Конечно боль в ноге, которую почувствовал доктор Джонсон, тоже была идеей в его голове, поэтому он действительно не опроверг доводов Беркли. Но его действие проиллюстрировало взгляды философа Дэвида Юма (1711–1776), который писал, что хотя мы и не имеем рациональных основ для веры в объективную реальность, мы также не имеем другого выбора, кроме того, чтобы действовать так, словно это истина.

Модельно-зависимый реализм кратко завершает весь этот спор и обсуждение между школой реалистов и анти-реалистов.

Согласно модельно-зависимому реализму, бессмысленно спрашивать является ли модель реалистичной без того, насколько она согласуется с наблюдениями. Если существуют две такие модели, которые согласуются с наблюдениями, подобно картинам золотой рыбки и нашей, тогда нельзя сказать, какая из этих моделей является более реалистичной. В этом случае можно использовать любую модель, которая является более пригодной в конкретной ситуации, в соответствии с тем или иными соображениями. Например, если бы кто-то находился внутри шара, изображение золотой рыбки было бы полезным, но для тех, кто находится снаружи, должно было бы быть очень неудобно описывать события из далекой галактики[4] в рамках шара на Земле, особенно потому, как шар должен будет двигаться так, как Земля обращается вокруг Солнца и вращается по своей оси.

Мы строим модели не только в науке, но и в нашей повседневной жизни. Модельно-зависимый реализм относится не только к научным моделям, но также и к сознательным и подсознательным мысленным моделям, которые все мы создаем, чтобы интерпретировать и понять ежедневный мир. Невозможно убрать наблюдателя — нас — из нашего восприятия мира, которое создается с помощью наших чувственных восприятий и способа нашего мышления, рассуждения. Наше восприятие — а следовательно, наблюдения, на которых базируются наши теории — не прямое, а скорее формируется сквозь своеобразную линзу, интерпретативную структуру человеческого мозга.

Модельно-зависимый реализм соответствует нашему способу восприятия объектов. В зрении мозг человека принимает серию сигналов через оптический нерв. Эти сигналы не образовывают такую картинку, которую вы бы приняли на ваш телевизор. В человеческом глазу есть слепое пятно в том месте, где оптический нерв крепится к сетчатке, а единственная часть вашего поля зрения с хорошим разрешением — это узкая площадь в 1 градус зрительного угла вокруг центра сетчатки, шириной в большой палец вытянутой вперед руки. Таким образом, исходный сигнал, поступающий в мозг, является низкокачественной картинкой с дыркой в ней. К счастью, наш мозг способен обрабатывать этот сигнал, сочетая информацию от обоих глаз, заполняя слепые промежутки (исходя из того предположения, что свойства соседних участков похожи), и собирая картинку воедино (интерполируя). Более того, он считывает двухмерный поток данных с сетчатки и создает из него ощущение трехмерного пространства. Другими словами, мозг создает мысленную картину или модель.

Наш мозг так хорошо моделирует реальность, что если бы люди, носящие очки, перевернули в них изображение вверх ногами, то их мозги через некоторое время изменили модель мира, и очкарики видели бы все так же, как и прежде. Если они снимут очки, они снова увидят перевернутый мир, а потом снова адаптируются. Это иллюстрирует то, что имеет в виду человек, когда говорит: «Я вижу кресло», и который всего-навсего использовал свет, рассеянный креслом, чтобы создать изображение или модель этого кресла у себя в голове. В случае, если модель перевернута, то если повезет, мозг исправит это до того, как человек сядет в кресло.

Другая проблема, которую модельно-ориентированный реализм пытается решить (или, как минимум, избежать) — это значение «существования». Как я узнаю, существует ли стол в данной комнате, если я выйду из нее и не смогу его видеть? Что будет значить утверждение о том, что предметы, которых мы не видим, такие как электроны или кварки (частицы, и которых, как считается, состоят протоны[5] и нейтроны[6]) — существуют? Кто-то мог бы придерживаться модели, когда стол исчезает, когда я выхожу из комнаты, появляется вновь, когда я возвращаюсь, но это было бы очень грубо. И что было бы, если бы потолок обрушился, когда я вышел из комнаты? Каким же образом в рамках модели «Стол-исчезает-когда-я-выхожу-из-комнаты» я мог бы объяснить то, что когда я вошел в комнату, стол возник заново — разломанный и под обломками потолка? Модель, в которой стол никуда не исчезает, является гораздо более простой, а также гармоничной с наблюдением. Это все, что можно спросить.

В ситуации, когда мы не можем увидеть субатомные частицы, электроны являются удобной моделью, объясняющей такие наблюдения, как следы в конденсационной камере или световые точки на экране телевизора, а также многие иные явления. Говорят, что электрон был открыт в 1897 году физиком Томпсоном в лаборатории Кавендиш в Университете Кембридж. Он экспериментировал с электрическим током в стеклянных трубках — феноменом, называемым катодные лучи. Эксперименты привели его к смелому заключению о том, что загадочные лучи состояли из мельчайших «корпускулов», которые являлись материальными составляющими частями атомов, прежде считавшимися неделимыми фундаментальными элементами материи. Томсон не «увидел» электрон, так же как и его предположение не было прямо или однозначно продемонстрировано экспериментами. Но модель оказалась ключевой в применении от фундаментальной до прикладной науки, и сегодня все физики уверены в существовании электронов, даже если вы их не видите.

Кварки, которые мы также не можем наблюдать, добавлены в модель, чтобы объяснить свойства протонов и нейтронов в ядре атома. Хотя протоны и нейтроны, как утверждается, состоят из кварков, мы никогда экспериментально не обнаружим кварки, потому что притягивающие силы между кварками увеличиваются при их отдалении друг от друга, и поэтому несвязанные, свободные кварки не могут существовать в природе. Они всегда проявляются в группах из трех (протоны и нейтроны) кварков, или парами: кварк и антикварк (пи-мезон), и ведут себя так, как если бы были соединены резинкой.

И вопрос «имеет ли смысл говорить, что кварки реально существуют, если вы никогда не сможете выделить один кварк?» был спорным долгие годы после того как кварковая модель была впервые предложена. Идея о том, что определенные частицы состоят из различных комбинаций нескольких более простых частиц, позволила создать принципы, которые в результате дали простое и привлекательное объяснение их свойств. Но не смотря на то, что физики привыкли рассматривать частицы, существование которых подразумевалось только в статистических всплесках данных по разбиению других частиц, идея представления реальности частицы, которая в принципе не поддаётся наблюдению, была чересчур невероятна для многих физиков. Однако, спустя годы, когда кварковая модель стала приводить к более и более правильным предсказаниям, противников этой модели стало меньше. Конечно возможно, что какие-нибудь инопланетные существа с семнадцатью руками, инфракрасными глазами, и привычкой выдувать взбитые сливки из ушей сделает те же экспериментальные исследования что и мы, но опишет их без использования кварков. Тем не менее, согласно моделезависимому реализму, кварки существуют в модели, которая согласуется с нашими наблюдениями поведения субатомных частиц.

Моделезависимый реализм может создать среду для вопросов, таких как: если мир был создан определенное время назад, то что происходило до этого? Философ времен раннего христианства, Св. Августин (354–430), говорил, что ответ не в том, готовил ли Бог ад для людей, задающих такие вопросы, а в том, что время принадлежит миру, который Бог создал, и время не существовало до момента сотворения, которое, как он верил, состоялось не так давно. Это одна из возможных моделей, которая одобрена теми, кто утверждает, что запись, сделанная в книге Бытия буквально верна, даже при том, что мир содержит ископаемые и другие доказательства того, что Земля гораздо старше. (Они были помещены там, чтобы одурачить нас?) Кто-то также может иметь другую модель, в которой от начала Большого взрыва[7] прошло 13.7 миллиардов лет. Модель, объясняющая большую часть наших современных наблюдений, включая исторические и археологические свидетельства, является лучшим представлением о прошлом из всех, что мы имеем. Вторая модель может объяснить ископаемые и радиоактивные свидетельства, и тот факт, что мы принимаем свет от галактик, до которых миллионы световых лет, так что эта модель — теория Большого взрыва — более полезна, чем первая. До сих пор ни одну из моделей нельзя назвать более реальной, чем другая.

Некоторые придерживаются модели, где время началось даже раньше Большого взрыва. Все еще не ясно может ли модель, в которой время шло и до Большого взрыва, лучше объяснять текущие исследования, потому что законы развития Вселенной, видимо, разрушаются в момент Большого взрыва. Если это так, то нет никакого смысла создавать модель описывающую время до Большого взрыва, потому что все что существовало тогда, не будет иметь наблюдаемых последствий в настоящем, поэтому мы можем остановиться на идее о том что Большой взрыв был моментом создания мира.

Модель хорошая модель, если она:



1. Изящна

2. Содержит мало произвольных или регулируемых элементов

3. Согласуется со всеми существующими наблюдениями и объясняет их.

4. Делает подробные прогнозы относительно будущих наблюдений, которые могут опровергнуть или доказать ложность модели, если они не подтвердились.



Например, теория Аристотеля, о том, что мир состоит из четырех элементов: земли, воздуха, огня и воды, и что объекты стремящиеся осуществить свои назначения были изящны и не содержали изменяемых элементов. Но во многих случаях теория не давала определенных предсказаний, а если и давала, то они не всегда соответствовали наблюдениям. Одним из этих предсказаний было то, что более тяжелые объекты должны падать быстрее, потому что их цель — падение. До Галилео никто и не думал, что это нужно проверить. Существует история, что он проверял это, бросая грузы различной массы с Пизанской («падающей») башни. Скорее всего, это легенда, но мы точно знаем, что он скатывал шары различной массы по наклонному желобу и заметил, что они скатывались с одинаковой скоростью, вопреки предсказанию Аристотеля.

Вышеупомянутый критерий очевидно субъективный. Изящество, например, это не то что можно просто измерить, но оно высоко ценится среди ученых, потому что законы природы стремятся экономно сократить число определенных ситуаций в одну простую формулу. Изящество относится к форме теории, но оно также тесно связано с недостатком изменяемых элементов, так как теория, сжатая выдуманными коэффициентами не очень элегантна. Перефразируя Эйнштейна, теория должна быть настолько простой, насколько это возможно, но не проще. Птолемей добавлял эпициклы к круговым орбитам небесных тел для того, чтобы его модель могла точно описывать их движение. Модель можно было сделать более точной путем добавления эпициклов к эпициклам, а к ним еще эпициклов. Хотя добавленное усложнение может сделать теорию более точной, ученые рассматривают модель, искаженную чтобы совпадать с определенными наблюдениями, как неудовлетворительную, больше похожую на каталог данных, чем на теорию, удачно воплощающую какой-либо полезный принцип.

В Разделе 5 мы увидим, что многие люди рассматривают «стандартную модель», описывающую взаимодействия элементарных частиц природы, как неэлегантную. Эта модель более удачная, чем Птолемеевские эпициклы. Она предсказала существование нескольких новых частиц до того как они были обнаружены, и с большой точностью описала результаты множества экспериментов в течение нескольких десятилетий. Но она содержит дюжины изменяемых параметров, чьи величины должны быть скорее установлены, чтобы совпасть с наблюдениями, чем определены самой теорией.

Согласно четвертому пункту, ученые всегда впечатлены, когда новые и ошеломляющие предсказания доказаны верно. С другой стороны, когда обнаруживается, что модель имеет недостатки, обычная реакция — это заявить, что эксперимент неверен. Если не доказывается что это случайность, люди обычно не отказываются от модели, пытаясь вместо этого сохранить ее в модифицированном виде. Хотя физики, несомненно, упорны в своих попытках спасти теории, которыми они восхищаются, стремление модифицировать теорию исчезает, отчасти из-за того что преобразования становятся неестественными или громоздкими, и, следовательно, неэлегантными.

Если модификации необходимые для приспособления новых наблюдений, становятся слишком причудливыми, это сигнализирует о потребности в новой модели. Одним из примеров старой модели, которая уступила дорогу под весом новых наблюдений, была идея статической Вселенной. В 1920-х годах, большинство физиков считали, что Вселенная была статичной, или неизменного размера. Тогда, в 1929 году Эдвин Хаббл опубликовал свои наблюдения, показывающие, что Вселенная расширяется. Но Хаббл не непосредственно наблюдал расширение Вселенной. Он наблюдал свет, излучаемый галактиками. Этот свет содержит характерный признак, или спектр, основанный на составе каждой галактики, который изменяется на известную заранее величину, если галактика движется относительно нас. То есть, анализируя спектр отдаленных галактик, Хаббл мог определить их скорости. Ожидалось, что он обнаружит столько же приближающихся галактик, сколько и отдаляющихся. Но вместо этого он обнаружил, что все галактики отдаляются от нас, причем, чем дальше они расположены, тем быстрее они отдаляются. Хаббл подтвердил, что Вселенная расширяется, но другие, пытаясь придерживаться ранних моделей, пытались объяснить его наблюдения в контексте теории статической Вселенной. Например, Фриц Цвики, физик из калифорнийского технологического института, предположил, что по какой-то неизвестной причине свет может терять свою энергию при прохождении огромных расстояний. Это уменьшение энергии соответствует изменению светового спектра, что по мнению Цвики может объяснить наблюдения Хаббла. В течение десятилетий после исследований Хаббла ученые продолжали придерживаться теории стабильного развития. Несмотря на это, теория расширяющейся Вселенной, подтвержденная Хабблом, становится общепризнанной.

В наших поисках законов, управляющих Вселенной были сформированы теории, или модели, такие как четырехэлементная теория, Птолемеева теория, теория флогистона, теория Большого взрыва, и т. п. С каждой новой теорией или моделью наши представления о реальности и о фундаментальных составляющих Вселенной изменились. Например, рассмотрим теорию строения света. Ньютон полагал, что свет состоит из маленьких частиц или корпускул. Это объяснило бы, почему свет распространяется по прямой, и Ньютон также использовал это, чтобы объяснить, почему свет отклоняется или отражается, когда он проходит из одной среды к другой, как, например, из воздуха к стеклу, или из воздуха в воду.

Не смотря на это, корпускулярная теория не смогла объяснить увиденный Ньютоном феномен, известный как круги Ньютона. Положите линзу на плоскую отражающую поверхность и осветите её одноцветным лучом, таким как натриевый луч. Смотря сверху можно увидеть несколько светлых и темных колец, расположенных в месте соприкосновения линзы и поверхности. Это сложно объяснить, используя теорию света, но можно рассмотреть, используя волновую теорию.

Согласно волновой теории, появление светлых и темных колец вызвано феноменом называющимся интерференцией. Любая волна, так же как водяная волна, состоит из серии гребней и впадин. Если при столкновении волн гребни и впадины совпадают, они усиливают друг друга, сливаясь в волну большего размера. Это называется усиливающей интерференцией. В таком случае говорят что волны «в фазе». В противоположном случае, когда волны столкнутся, гребень одной волны может совпасть с впадиной другой волны. Тогда они гасят друг друга, попадают «не в фазу». Эта ситуация называется гасящей интерференцией.

На кругах Ньютона светлые кольца находятся на определенных расстояниях от центра линзы, где линза и отражающая плоскость отдалены так, что волна отраженная от линзы, отличается от волны отраженной плоскостью на целое(1, 2, 3…) число длин волн, создавая, таким образом, усиливающую интерференцию. (Длина волны — это расстояние между гребнями или впадинами соседних волн.) С другой стороны, темные кольца расположены на таких расстояниях от центра, где разница между двумя отраженными волнами равна полуцелому (1/2, 1 1/2, 2 1/2….) числу длин волн, что создает гасящую интерференцию — волна, отраженная от линзы гасит волну, отраженную от плоскости.

В девятнадцатом веке это послужило доказательством волновой теории света, показывая, что корпускулярная теория была неверна. Тем не менее, в начале двадцатого века Эйнштейн показал, что фотоэлектрический эффект (который сейчас используется в телевидении и цифровых камерах) можно объяснить тем, что частица или квант света ударяется об атом, выбивая при этом электрон. Таким образом, свет имеет свойства как частицы, так и волны.

Концепция волн, возможно, так прочно вошла в сознание из-за того, что люди могли наблюдать океан или лужу, когда в неё бросают камень. Фактически, если вы когда-нибудь бросали два камня в лужу, вы возможно наблюдали интерференцию в действии, как на иллюстрации выше. Другие жидкости ведут себя таким же образом, кроме, разве что, вина, если выпьете его слишком много. Корпускулярная теория была сродни камням, гальке и песку. Но этот корпускулярно-волновой дуализм — идея о том, что объект может быть описан и как частица, и как волна — чужд для повседневного опыта, как идея о том, что можно выпить кусок песчаника.

Такие двойственности — ситуации, в которых две разные теории с точностью описывают один и тот же феномен — согласуются с моделезависимым реализмом. Каждая теория может описать определенные свойства, но ни одна не может сделать это точнее или реальнее чем другая. Касательно законов, управляющих Вселенной, можно сказать вот что: похоже, не существует одной математической модели или теории, которая могла бы описать каждый аспект Вселенной. Вместо этого как упомянуто во вводной главе, кажется, есть сеть теорий под названием М-теории. Каждая теория в сети М-теорий способна описывать явления в пределах определенного диапазона. Где бы ни пересекались их области, различные теории в сети соответствуют друг другу, поэтому их можно назвать частями одной теории. Но ни одна отдельная теория внутри сети не может описать каждого аспекта Вселенной — все силы природы, частицы, создающие эти силы, строение времени и пространства, где все это происходит. Хотя эта ситуация перечеркивает мечту традиционных физиков о единственной единой теории, такое приемлемо лишь в рамках модельно-зависимого реализма.

Мы будем обсуждать дуальность и М-теорию в 5 главе, но перед этим мы вернемся к фундаментальным принципам, на которых основан наш современный взгляд на природу: квантовая теория[8], и в частности, подход к квантовой теории назван альтернативными историями. С подобной точки зрения, Вселенная не имеет совершенно отдельного существования или истории, но скорее, каждые возможные варианты Вселенной существуют одновременно в так называемой квантовой суперпозиции. Это может звучать также возмутительно, как и теория, в которой стол исчезает каждый раз после того как мы покидаем комнату, но в этом случае теория прошла все экспериментальные проверки, которым ее когда-либо подвергали.

4. Альтернативные истории [9]



В 1999 г. команда физиков в Австрии выпустила пучок шарообразных, как футбольные мячи, молекул в направлении экрана. Эти молекулы, каждая из 60 атомов углерода, иногда называют бакиболы — мячи Бакки, потому что архитектор Бакминстер Фуллер строил здания именно такой формы. Геодезические купола Фуллера были, вероятно, самыми большими существующими объектами формы футбольного мяча. А бакиболы — самыми маленькими. Экран, в направлении которого прицелились учёные, фактически имел лишь две прорези, сквозь которые бакиболы и могли пролететь. За стеной, физики расположили аналогичный экран для обнаружения и подсчёта появляющихся молекул.

Задайся мы целью поставить аналогичный эксперимент, используя настоящие футбольные мячи, нам бы понадобился игрок с несколько «сбитым прицелом», но способный выполнять удары по мячу ритмично, с заданной скоростью. Мы бы поставили этого игрока перед стенкой, в которой есть два отверстия. С обратной стороны стены, параллельно ей, мы бы разместили больших размеров сетку.

Большинство ударов нашего игрока попало бы в стенку и отскочило, но некоторые прошли бы либо сквозь первое отверстие или сквозь второе и попали бы в сеть. Если диаметр отверстия в стене был лишь немного больше мяча, два очень узких параллельных потока появились бы на другой её стороне. Если же отверстия были чуть шире — каждый поток разойдётся небольшим веером, как показано на рисунке ниже.

Заметим, что если мы закроем одно из отверстий соответствующий поток мячей сквозь него больше не пройдёт, но на другой поток это никакого эффекта не окажет. Если мы снова откроем второй промежуток, это только увеличит количество мячей, приземлившихся в любой данной точке с другой стороны, где мы получим все мячи из промежутка, остававшегося открытым, плюс мячи из промежутка который только открыли. Другими словами, то, что мы наблюдаем, когда оба промежутка открыты, является суммой того, что мы наблюдаем с каждым промежутком в стене, открытым по отдельности. Это — реальность, к которой мы привыкли в повседневной жизни. Но это не то, что обнаружили австрийские исследователи, когда они запустили свои молекулы.

В австрийском эксперименте, открывание второго промежутка действительно увеличивало число молекул, достигших экрана в одних точках, но сокращало их число в других, как на рисунке ниже. Фактически, когда оба промежутка были открытыми, были пятна, где никакие мячи не приземлились, но где шары приземлялись, когда был открыт только один или другой промежуток. Это кажется очень странным. Как может открытие второго промежутка служить причиной того, что каких-то точек достигло меньшее число молекул?

Мы можем получить ключ к разгадке ответа, исследуя детали. В эксперименте много молекулярных футбольных мячей приземлялись в точку, расположенную на полпути от места, в которое вы ожидали, что они приземлятся, если пройдут и сквозь первый, и сквозь второй промежуток. Чуть дальше центральной позиции приземлялось очень мало молекул, но еще немного дальше от центра снова наблюдалось падение молекул. Эта модель не является суммой моделей, образованных, когда каждый промежуток открыт отдельно, но вы можете узнать ее в Разделе 3 как образец характеристики интерферирующих волн. Участки, где не приземлились молекулы, соответствуют областям, в которых волны, выпущенные из двух промежутков, сошлись не в фазе, и создали гасящую интерференцию; участки, где приземлилось много молекул, относятся к областям, где волны попали в фазу, создав усиливающую интерференцию.

В течение двух тысячелетий научной мысли, обычный опыт и интуиция были основой теоретического обоснования. Совершенствуя наши технологии и расширяя круг феноменов, которые мы можем наблюдать, мы начинаем обнаруживать что природа ведет себя таким образом, который все меньше и меньше согласуется с нашим каждодневным опытом и противоречит нашей интуиции, о чем свидетельствует эксперимент с фуллереном. Этот эксперимент является типичным из вида феноменов, которые нельзя объяснить классической наукой, но можно описать тем, что называется квантовой физикой. Как писал Ричард Фейнман, эксперимент с двумя отверстиями, описанный выше, «содержит всю тайну квантовой механики».

Принципы квантовой физики были раскрыты в первые десятилетия двадцатого века, после того как Ньютоновской теории оказалось недостаточно для описания природы на атомном — или субатомном — уровне. Фундаментальные теории физики описывают силы природы, и как объекты им противодействуют. Классические теории (например, теория Ньютона) построены на основе отражения каждодневного опыта, в котором материальные объекты уникальны, они могут находиться в определенных местах, перемещаться определенными траекториями и т. д. Квантовая физика помогает понять, как законы природы работают на атомных и субатомных уровнях, но как мы увидим позже более детально, она предлагает совершенно другую концептуальную схему, при которой положение объекта, его траектория и даже его прошлое и будущее точно не определено. Квантовые теории сил, таких как гравитационные или электромагнитные, построены на основе этих положений.

Могут ли теории, построенные на основах чуждых повседневному опыту так же объяснять события обыденного опыта, которые были смоделированы с такой точностью классической физикой? Могут, поскольку мы и наша окружающая среда — составные структуры, сделанные из невообразимо большого числа атомов, большего количества атомов, чем существует звезд в видимой Вселенной. И хотя составляющие атомы подчиняются принципам квантовой физики, можно продемонстрировать, что большие скопления, формирующие футбольные мячи, репу и аэробусы — и нас — действительно будут ухитряться избегать дифрагирования через разрезы. Поэтому, хотя компоненты повседневных объектов повинуются квантовой физике, законы Ньютона создают эффективную теорию, которая очень точно описывает, как ведут себя составные структуры, образующие наш повседневный мир.

Это могло бы звучать странно, но в науке есть множество примеров, в которых большое скопление, кажется, ведет себя, в некоторой степени, отлично от поведения его отдельных компонентов. Реакция одного нейрона едва ли предскажет реакцию человеческого мозга, равно как и знание о молекуле воды не много говорит вам о поведении озера. В случае квантовой физики, ученые все еще работают, чтобы выяснить детали того, как законы Ньютона возникают из квантовой сферы. Нам точно известно, что составные части всех объектов подчиняются законам квантовой физики, и Законы Ньютона хорошо описывают модель поведения макроскопических объектов, которые состоят из этих квантовых частиц.

Но предсказания Ньютоновской теории поэтому соответствуют представлению о реальности, в которой мы развиваемся, как познаем мир вокруг нас. Но уникальные атомы и молекулы взаимодействуют совсем по-другому, чем принято в нашей повседневной жизни. Квантовая физика — новая модель реальности, дающая нам картину Вселенной. Это — картина, в которой у многих понятий, фундаментальных для нашего интуитивного понимания действительности больше, нет значения.

Эксперимент с двойной щелью, который был проведен в 1927 году Клинтоном Дависсоном и Лестером Жермером, физиками-экспериментаторами из лаборатории Bell, которые изучали, как пучок электронов — объекты много проще чем «мячи Баки» — взаимодействует с кристаллом, сделанным из никеля. Тот, что материальные частицы, такие как электроны, ведут себя подобно водяным волнам, был одним из тех восхитительных экспериментов, которые, которые повлияли на квантовую физику. Поскольку такое поведение на макроскопическом уровне не наблюдается, учёные долгое время задавались вопросом — насколько большим и сложным должен быть объект, чтобы сохранять способность демонстрировать волновые свойства. Если бы подобный эффект можно было продемонстрировать с участием людей или гиппопотамов, это, безусловно, вызвало бы ажиотаж, однако, как уже было сказано, чем больше размер объекта, тем менее заметны квантовые эффекты. Поэтому маловероятно, что какие-либо животные в зоопарке просочатся, подобно воде, сквозь прутья своих клеток. Тем не менее, физики-экспериментаторы наблюдают волновые явления у частиц всё больших размеров. Учёные надеются повторить когда-нибудь эксперимент с фуллеренами, используя вместо них вирус, который не только значительно превосходит их размерами, но также рассматривается некоторыми как живое существо.

Знание лишь некоторых аспектов квантовой физики требуется для того, чтобы понять аргументы, представленные в следующих главах. Одно из основных свойств — двойственность волны/частицы. Материальные частицы, ведущие себя подобно волне, удивят любого. То, что свет ведёт себя подобно волне, уже давно никого не удивляет. Волновое поведение света представляется нам естественным и уже около двухсот лет считается достоверным и признанным фактом. Если вы направите луч света на две щели, как в вышеописанном эксперименте, две волны появятся и пересекутся на экране. В каких-то точках их гребни будут совпадать, формируя яркое пятно, в других — гребни одной волны будут совпадать с долинами другой, нейтрализуя их и оставляя тёмную область. Английский физик Томас Янг проводил такой эксперимент в начале девятнадцатого века, стараясь убедить людей, что свет есть волна, а не состоит из частиц, как полагал Ньютон.

Хотя кто-то мог бы подумать, что Ньютон ошибался, утверждая, что свет не является волной, но он был прав, когда говорил, что свет ведет себя так, как если бы он состоял из частиц. Сегодня мы зовём эти частицы фотонами. Так же как мы состоим из большого числа атомов, свет, который мы видим в повседневной жизни, является сложным, в том смысле, что состоит из громадного числа фотонов — даже 1-ваттный ночник испускает миллиарды миллиардов фотонов каждую секунду. Единичные фотоны обычно не наблюдаются, но в лаборатории мы можем сформировать луч света настолько слабый, что он, по сути, состоит из потока единичных фотонов, которые мы можем обнаружить как отдельные элементы, так же как обнаруживаем единичные электроны или фуллерены. И мы можем повторить эксперимент Янга, используя луч света достаточно низкой плотности, чтобы обеспечить фотонам возможность достигать преграды по одному за раз, с интервалом в несколько секунд. Поступив подобным образом и суммировав затем все индивидуальные отметки, зафиксированные на экране с обратной стороны преграды, мы обнаружим, что имела место интерференция по тому же образцу, как если бы мы выполняли эксперимент Дэвиссона-Гермера, но направляли бы на экран электроны (или фуллерены) по одному за раз. Для физиков этом было поразительным открытием: если отдельные частицы интерферируют сами с собой, тогда волновая природа света является свойством не просто луча или большого количества фотонов, но отдельных частиц.

Другим основным принципом квантовой физики является принцип неопределенности, сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1926 году. Принцип неопределенности гласит, что невозможно одновременно измерить положение и скорость частицы. Согласно принципу неопределенности, например, если вы умножите неопределенность положения частицы на неопределенность ее импульса (масса, умноженная на его скорость) результат никогда не может быть меньше, чем определенное фиксированное значение, названное постоянной Планка. Это похоже на скороговорку, но суть её может быть выражена очень просто: чем точнее вы измеряете скорость, тем менее точно вы сможете измерить положение и наоборот. В случае, если вы сократили вдвое неопределённость в положении, вам следует удвоить неопределённость в скорости. Так же очень важно заметить, что в сравнении с привычными единицами измерения, такими как метры, килограммы или секунды постоянная Планка очень мала. В сущности, если описывать её этими единицами она имеет значение около 6/10000000000000000000000000000000000, В результате, если известно положение макроскопического объекта, скажем, футбольного мяча, массой в 1/3 килограмма, то в пределах 1 миллиметра в любом направлении мы так же сможем измерить и скорость, с точностью большей, чем до миллиардной миллиардной миллиардной километра в час. Всё потому, что будучи измеряемым в этих единицах, футбольный мяч имеет массу в 1/3, а неопределённость в положении в 1/1,000, Ни того, ни другого не хватает, чтобы покрыть все те нули в постоянной Планка, так что эта роль падает на неопределённость в скорости. Но в тех же единицах измерения электрон имеет массу в.00000000000000000000000000001, так что для электронов всё дело совершенно в другом. Если при нашем измерении положения электрона оно выходит соответствующим примерно пределам атома, то принцип неопределённости предписывает, что мы не можем знать скорость электрона с точностью большей, чем плюс или минус 1000 километров в секунду, что конечно совсем не точно.

Основываясь на квантовой физике, вне зависимости от того сколько информации у нас уже имеется или насколько велики наши вычислительные возможности, результаты физических взаимодействий не могут быть предсказаны со всей определённостью, потому что определённость не входит в их описание. Вместо этого, учитывая изначальное состояние системы, природа определяет состояние будущего через процесс, который суть фундаментально не определён. Другими словами, природа не предписывает результатов никаких процессов или опытов, даже в самых простейших ситуациях. Скорее допускает некоторое количество различных вариантов развития, каждый со своей вероятностью осуществления. Всё равно, как если бы, перефразируя Эйнштейна, Бог бросал кости всякий раз, прежде чем решить исход любого физического процесса. Эта идея не давала покоя Эйнштейну и, несмотря на то, что он сам являлся одним из отцов-основателей квантовой физики, в дальнейшем он начинает ее критиковать.

Может показаться, что квантовая физика подрывает саму идею законов природы ею управляющими, но это совсем другой случай. Напротив, она приводит нас к новой форме детерминизма: учитывая состояние системы в какое-либо время, законы природы определяют вероятность различных будущих и прошлых, вместо того, чтобы определять единственное достоверное будущее и прошлое. И хотя некоторым из них это будет неприятно, учёные должны принимать теории, совпадающие с результатами экспериментов, а не свои предвзятые убеждения.

Наука требует от теории лишь того, чтобы её было можно проверить. Если вероятностная природа[10] предсказаний квантовой физики означала невозможность подтверждения этих предсказаний, то квантовые теории никак нельзя было бы назвать научными теориями. Но, не смотря на вероятностную природу предсказаний, мы всё же можем проверить квантовые теории. Например, мы можем повторить эксперимент много раз и удостовериться, что частота различных результатов соответствует предсказанным вероятностям. Рассмотрим эксперимент с мячами Бака. Как говорит нам квантовая физики — ничто не находится в определённой точке, ибо если бы оно находилось, то неопределённость импульса была бы бесконечной. Фактически, согласно квантовой физике, каждая частица имеет некоторую вероятность быть найденной где угодно во Вселенной. Так что, даже если шансы найти электрон в устройстве с двумя отверстиями очень велики, всегда останется некоторая вероятность того, что вместо этого он найдётся на обратной стороне звезды в Альфа Центавре или в пироге с почками из кафетерия рядом с вашим офисом. Как результат, если Вы ударите квантовый бакибол и позволите ему лететь, то никакой объем умений или знаний не даст Вам сказать заранее, где конкретно этот бакибол приземлится. Но если вы повторите этот эксперимент много раз, то полученные данные отразят вероятность нахождения мяча в самых разных местах, а экспериментаторы подтвердят, что результаты подобных экспериментов согласуются с предсказаниями теории.

Важно понимать, что вероятности в квантовой физике — это не то же, что вероятности в Ньютоновой физике или в повседневной жизни. Мы можем это понять, сравнив выстроенные модели равномерного потока бакиболов, выпущенных в экран, с моделью отверстий, выстроенных исходя из того, что игрок в дартс целился в яблочко. Если конечно игроки не пили уж слишком много пива, шансы дротика воткнуться недалеко от центра очень велики, и по мере удаления от центра уменьшаются. Как и с бакиболами, любой из дротиков может воткнуться куда угодно, и, со временем, модель отметин от дротиков, отражающая вероятность, лежащую в своей основе, построится. В повседневной жизни, в такой ситуации мы можем сказать, что дротик имеет определенную вероятность приземления в разных местах, но мы говорим так, только потому (в отличие от случая с бакиболами), что наше знание об условиях его запуска неполные. Мы могли бы улучшить описание предмета, если бы знали точно как именно игрок запустил дротик — его угол, вращение, скорость и т. д. В принципе, тогда мы смогли бы предсказать, где приземлится дротик с той точностью, с которой хотели бы. Использование нами условий вероятности, для описания результата событий в повседневной жизни, таким образом, является не отражением глубинной сущности процесса, но лишь нашего невежества в некоторых его аспектах.

Вероятности в квантовых теориях совсем другие. Они отражают фундаментальную случайность в природе. Квантовая модель природы включает в себя принципы, которые не только противоречат нашему повседневному опыту, но и нашему интуитивному восприятию реального. Те, что находят эти принципы странными или неправдоподобными находятся в хорошем обществе, обществе великих физиков, таких как Эйнштейн и даже Фейнман, чьё описание квантовой теории мы совсем скоро представим. Фейнман, в действительности, как-то написал: «Думаю, я могу спокойно заявить, что никто не понимает квантовой механики». Но квантовая физика согласуется с наблюдениями. Ни одного провального теста, а тестировали её больше, чем любую другую научную теорию.

В 1940-х Ричарда Фейнмана потрясло озарение в понимании разницы между квантовым и Ньютоновым мирами. Фейнмана заинтриговал вопрос, как возникает модель интерференции в эксперименте с двумя отверстиями. Напомним о том, что полученная итоговая модель после того, как мы выстрелили молекулами, когда обе прорези открыты, не есть сумма моделей, если провести эксперимент дважды: один раз только с открытой первой прорезью, а второй — только со второй. Напротив, когда обе прорези открыты, мы находим череду светлых и тёмных полос. Последние это те области, куда не приземлилась ни одна частица. Это означает, что частицы, которые должны были бы попасть в область темной полосы, в случае если, скажем, открыта одна прорезь, там не оказываются, если открыты обе прорези. Как будто где-то на середине своего пути к экрану частицы получают информацию про обе прорези. Такое поведение решительно отличается от того, как всё обстоит в повседневной жизни, в которой мяч проследует сквозь одну из прорезей и на него никак не повлияет состояние второй.

Согласно Ньютоновской физике, и согласно тому, как эксперимент прошёл бы, если бы мы проделали то же самое с футбольными мячами вместо молекул, каждая частица следует единственному строго определённому маршруту от источника к экрану. В такой картине не находится места обходному пути, которым частица по пути посещает окрестности обеих прорезей. Однако, согласно квантовой модели, у частицы будто бы и нет точного местоположения в то время, пока она находится между начальной и конечной точками пути. Фейнман понимал, что не нужно принимать это за отсутствие пути у частиц, пока они следуют от источника к экрану. Совсем наоборот, это могло бы значить, что частицы проходят всеми из возможных путей связывающих эти точки. Вот, утверждал Фейнман, что отличает квантовую физику от Ньютоновой. Эта история с двумя прорезями имеет значение, потому что вместо того, чтобы проследовать единственным определённым путём, частицы прошли всеми, да ещё и за раз. Звучит как научная фантастика, но это не так. Фейнман сформулировал математическое выражение — «Фейнманову сумму предысторий», отражающее эту идею и воспроизводящее все законы квантовой физики. У Фейнмана в теории математическая и физическая картины расходились с исходными формулировками квантовой физики, но предсказания были такими же.

В эксперименте с двумя прорезями идеи Фейнмана сводятся к тому, что частицы выбирают пути, которые ведут либо сквозь одну прорезь, либо сквозь вторую; пути, что ведут сквозь первую прорезь, затем обратно через вторую, и вновь снова через первую; пути, ведущие в ресторан, где подают креветки в соусе карри, затем к Юпитеру, закручиваясь вокруг него несколько раз перед возвращением обратно; и даже пути, что ведут через Вселенную и обратно. Это, по мнению Фейнмана, объясняет, как частица получает информацию о том, какие прорези открыты — если прорезь открыта, частица направляется сквозь неё. Когда обе прорези открыты, пути частиц, путешествующих через одну прорезь, могут пересекаться с путями через вторую, вызывая тем самым интерференцию. Быть может это прозвучит невероятно, но для нынешней фундаментальной физики в целом, и для этой книги в частности, теория Фейнмана оказалась много полезнее, чем оригинальная.

Фейнмановское видение квантовой реальности является ключевым в понимании теорий, которые мы скоро представим, поэтому стоит потратить некоторое время на то, чтобы понять, как там всё устроено. Представьте себе простой процесс, в котором частица из пункта А начинает своё свободное движение. В Ньютоновой модели эта частица проследует по прямой. По истечении некоторого определённого времени мы обнаружим частицу в определенном пункте В, находящимся на этой прямой. В модели Фейнмана квантовая частица проводит выборку всех путей, соединяющих пункты А и Б, составляя при этом число, называемое фазой для каждого пути. Эта фаза представляет собой такое положение в волновом цикле, в котором волна находится либо на верхнем, либо на нижнем пике, или где-то посередине. Формула Фейнмана по математическому расчёту этой фазы показывает, что когда вы складываете вместе волны всех путей, вы получаете «амплитуду вероятности» достижения частицей из пункта А пункта Б. А затем квадрат амплитуды вероятности даёт конечную вероятность достижения пункта Б.

Роберт Говард

Фаза, в которой все отдельные пути входят в Фейнманову сумму (и, следовательно, в вероятность прохождения пути от А к Б) может быть представлена в виде стрелы определённой ограниченной длины, но могущей воткнуться в любом направлении. Добавим ещё две фазы: поместим стрелу, представляющую одну фазу у наконечника стрелы, представляющей другую фазу, и тем самым получим третью, общую стрелу, представляющую сумму. Чтобы увеличить количество фаз, просто продолжайте добавлять стрелы. Заметим, что когда фазы выстроены в линию, стрела, представляющая сумму может быть довольно длинной. Но если стрелы направлены в разные стороны, то они быстро заканчиваются, по мере их добавления, оставляя вас с совсем небольшим количеством стрел. Эта идея изображена на рисунке ниже.



Змеиная яма



Для выполнения условий Фейнмана по расчёту вероятностной амплитуды, что частица из пункта А достигнет пункта Б, вы просто складываете фазы или стрелы, представляющими все пути, связывающие А и Б. Существующих путей бесконечно много, что слегка усложняет расчёты, но этот способ работает. Некоторые пути показаны ниже.

(Стив Костиган — 1)

* * *

Теория Фейнмана очень чётко показывает, как можно вывести Ньютонову картину мировосприятия из квантовой физики, кажущейся совершенно отличной. Согласно Фейнмановой теории, фазы связанные с каждым путём зависят от постоянной Планка. Теория предписывает, что поскольку постоянная Планка является очень малым числом, то, когда вы складываете сумму путей, близких другу другу, их фазы сильно варьируются, и, как видно на рисунке, их сумма в результате будет сводиться к нулю. Но теория также показывает, что существуют определенные пути, фазы которых имеют тенденцию выстроиться в линию, и именно они дают сумму более предпочтительную (значительную) для изучения процесса поведения частицы. Оказывается, что применительно к большим объектам, пути, подобные тем, что предсказаны теорией Ньютона, будут иметь подобные фазы, и в сумме дадут наибольшую составляющую. Таким образом, единственным конечным пунктом, имеющим практическую вероятность больше нуля, будет конечный пункт, предсказываемый теорией Ньютона, и этот пункт будет иметь вероятность очень близкую к единице. Следовательно, большие объекты двигаются именно так, как предсказывает теория Ньютона.





Едва сойдя на берег, я почуял: быть беде. Причиной моих дурных предчувствий послужили отиравшиеся неподалеку ребята с «Даунтлесс». Они команду «Морячки» недолюбливают.

Пока что мы обсуждали идеи Фейнмана в контексте эксперимента с двойной прорезью. В этом эксперименте частицы запускались в направлении стенки с прорезями, и мы измеряли их местоположение на экране, помещенном за стенкой, в который попадали частицы. В общем, вместо лишь одной частицы, теория Фейнмана позволяет нам предсказывать вероятные результаты «системы», которая могла бы быть частицей, рядом частиц, или даже всей Вселенной. Между начальным состоянием системы и нашим последующим определением ее свойств, эти свойства эволюционируют некоторым путем, который физики называют историей системы. В эксперименте с двойной прорезью, например, история частицы — просто ее путь. Так же, как для эксперимента с двойной прорезью возможность наблюдать, что частица приземлится в любой данной точке, зависит от всех путей, которые, могли бы там быть получены, Фейнман показал, что для общей системы вероятность любого наблюдения построена из всех возможных историй, которые могли бы привести к этому наблюдению. Из-за этого его метод, названный «суммой по историям» или «альтернативными историями», является формулировкой квантовой физики.

С тех самых пор, как наш шкипер в Занзибарском порту вчистую разделал их капитана. Тогда эти злопамятные типы пустили слух, что у нашего Старика на правой руке был кастет. Нелепая и грязная ложь! Кастет он надевает на левую.

Словом, когда я встретил этих грубиянов в Маниле, то иллюзий никаких на их счет не питал, однако и на неприятности нарываться не хотелось. Я чемпион «Морячки» в тяжелом весе, и ежели вам угодно отпускать шуточки насчет великой важности моего титула, так сходите на полубак, поглядите на Хансена-Мухомора, Грэннигена Один Раунд, Плоскорожего О\'Тула, Хеннига-Шведа и прочих бугаев, из которых набрана команда «Морячки». Однако, несмотря на такое окружение, меня никто не сможет обозвать задирой, и потому я, вместо того чтоб последовать зову натурального инстинкта да уложить рядком семь-восемь этих чудиков с «Даунтлесс», обошел их стороной и отправился в ближайший Американский Бар.

Теперь, когда у нас есть мнение о Фейнмановском подходе к квантовой физике, пришло время исследовать другой ключевой квантовый принцип, который мы будем использовать позже — принцип, что наблюдение системы должно менять ее поведение. Можем ли мы, как мы делаем, когда у нашей начальницы на подбородке пятно горчицы, осторожно наблюдать, но не вмешиваться? Нет. Согласно квантовой физике, Вы не можете «просто» наблюдать за чем-либо. Таким образом, квантовая физика признает, что, чтобы произвести наблюдение, Вы должны взаимодействовать с наблюдаемым Вами объектом. Например, чтобы видеть объект в традиционном смысле, мы светим на него светом. Освещение тыквы окажет на нее, конечно, не большой эффект. Но освещение даже тусклым светом крошечной квантовой частицы — то есть, стрельба в нее фотонами — действительно имеет ощутимый эффект, и опыт показывает, что это изменяет результаты эксперимента точно так, как описывает квантовая физика.

Через некоторое время я обнаружил, что нахожусь в дансинг-холле. Да, верно, я не шибко представлял себе, как туда попал, но, уверяю вас, выпивки в моем трюме плескалось вовсе не так уж много. Пиво, несколько рюмочек виски, самую чуточку бренди да, может статься, бокал вина — для запивки. Но уж вел-то я себя во всех отношениях заправским благородным джентльменом, что и было подтверждено фактом: танцевал я с самой симпатичной девушкой в Маниле, да, пожалуй, и на всем белом свете. Яркие губы, черные волосы, а лицо! О, что за лицо!..

Я и дальше повел себя, точно сама вежливость.

Предположим, что, как и раньше, мы направляем поток частиц на барьер в эксперименте с двойной прорезью и собираем данные о первом миллионе прошедших частиц. Когда мы определяем местоположение ряда частиц, оказавшихся в различных точках обнаружения, данные сформируют представленную картину интерференции, и когда мы добавим фазы, связанные со всеми возможными путями частицы от отправной точки А до ее точки обнаружения B, мы обнаружим, что вычисленная нами вероятность попадания в различные точки согласуется с этими данными.

— Слушайте, мисс, — спросил я, — где же вы были всю мою прошлую жизнь?

— О-о-о-ля! — ответила она с этаким мелким, серебристым смехом. — Вы, американцы, говорить та-акие вещи! О-о-о, сеньор такой огромный, сильный!

Я разрешил ей пощупать мои бицепсы, и она взвизгнула от удовольствия и удивления, захлопав в ладоши, словно девочка, которой подарили новую куклу.

Теперь предположим, что мы повторяем эксперимент, на этот раз, освещая прорези светом так, чтобы зафиксировать промежуточный пункт C, через который прошла частица. (C является положением либо одного разреза, либо другого). Это называют информацией «выбора пути», потому что она говорит нам, следовала ли каждая частица от А к прорези 1 и к B, или от А к прорези 2 и к B. Так как мы теперь хорошо знаем, через какую прорезь проходит каждая частица, наша сумма для этой частицы будет теперь включать только пути, которые проходят через прорезь 1, либо только пути, которые проходят через прорезь 2. Она никогда не будет включать и пути, проходящие через прорезь 1, и пути, проходящие через прорезь 2. Поскольку Фейнман объяснил картину интерференции, указав, что пути, которые проходят через одну прорезь, сталкиваются с путями, которые проходят через другую, если Вы включаете свет, чтобы определить, через какую прорезь проходят частицы, тем самым исключая другой вариант, Вы заставите картину интерференции исчезнуть. И действительно, если этот эксперимент выполнить, включение света изменяет результаты с картины интерференции на картину, подобную этой! Кроме того, мы можем изменять эксперимент, используя очень слабый свет, чтобы не все частицы взаимодействовали со светом. В этом случае мы можем получить информацию о выборе пути только для некоторого подмножества частиц. Если мы затем разделим данные о прибытии частицы согласно тому, получали ли мы информацию о выборе пути или нет, мы обнаружим, что данные, имеющие отношение к подмножеству, для которого у нас нет никакой информации о выборе пути, сформируют картину интерференции, а подмножество данных, имеющих отношение к частицам, для которых у нас есть информация о выборе пути, интерференции не покажет.

— О-о-о! Сеньор может просто поднять меня, такую маленькую, и унести! Верно, сеньор?

— Не стоит вам ничего бояться, — мягко сказал я. — Я просто сама вежливость со слабым полом и никогда грубостей не допускаю. Ни разу в жизни не ударил женщину, даже ту дамочку в Суэце, что метнула в меня нож. Малышка моя, кто-нибудь хоть намекал вам, что ваши глазки просто валят с ног?

— Ну что вы! — засмущалась она. — О-ох-х!

Эта идея имеет важное значение для нашего понятия «прошлого» В Ньютоновой теории предполагается, что прошлое существует в виде определенного ряда событий. Если Вы видите, что ваза, которую Вы купили в Италии в прошлом году, лежит разбитая на полу, а Ваш малыш, стоящий над ней, выглядит застенчиво, Вы можете проследить назад события, которые привели к неприятности: маленькие пальцы разжимаются, ваза падает и разбивается на тысячу частей, как она была обнаружена. Фактически, учитывая полные данные о настоящем, законы Ньютона позволяют вычислить полную картину прошлого. Это совместимо с нашим интуитивным пониманием, что, или неприятное, или счастливое, у мира есть определенное прошлое. Возможно, не было ни одного наблюдения, но прошлое существует так же несомненно, как будто Вы сделали серию его снимков. Но нельзя сказать, что квантовый бакибол проделал определенный путь от источника до экрана. Мы могли бы точно определить местоположение бакибола, наблюдая за ним, но между нашими наблюдениями требуются все пути. Квантовая физика говорит нам, что независимо от того, насколько детально наше наблюдение настоящего, (ненаблюдаемое) прошлое, как и будущее, неопределенно и существует только в виде спектра возможностей. У Вселенной, согласно квантовой физике, нет единственного прошлого или истории.

— Вам на ногу кто-то наступил?

Я оглянулся в поисках, кому это надо дать по башке.

— О да. Давате лучше сесть, сеньор. Где вы учиться танцевать?

Факт, что прошлое не принимает определенной формы, означает, что наблюдения системы, которые Вы делаете в настоящем, затрагивают ее прошлое. Это довольно наглядно подчеркнул образец эксперимента, продуманного физиком Джоном Уилером, названного экспериментом с отложенным выбором. Кратко, эксперимент с отложенным выбором похож на только что описанный нами эксперимент с двойной прорезью, в котором у Вас есть возможность выбора, наблюдать ли путь, проделанный частицей, за исключением того, что в эксперименте с отложенным выбором Вы откладываете свое решение, наблюдать путь или нет, до самого момента, пока частица не попадает на детекторный экран.

— Наверное, само по себе вышло, — скромно признался я. — До нынешнего дня вовсе не представлял, что умею танцевать. Просто ни разу не пробовал.

Из всего вышесказанного вам наверняка отлично ясно, что я поддерживал светскую беседу и ни с кем не связывался. И не моя вина в том, что случилось дальше.

Эксперименты с отложенным выбором имеют своим результатом данные, идентичные тем, что мы получаем, когда хотим наблюдать (или не наблюдать) информацию о выборе пути, непосредственно следя за прорезями. Но в этом случае путь каждой частицы — то есть, ее прошлое — будет определен намного позже того, как она прошла через прорези, и, по-видимому, должна была «решить», перемещаться ли только через одну прорезь, не вызывая интерференцию, или через обе, вызывая.

Значит, сидели мы с этой девушкой — звали ее Ракель ла Коста, и была она, стало быть, испанкой — тихо-мирно. Я ей еще хотел выдать такую замечательную штуку: мол, глаза ее — словно темные озера ночи (наповал бьет, я ее у Хансена-Мухомора позаимствовал, он у нас вроде как поэт). Вдруг вижу: она через мое плечо кому-то подмигивает. Меня это привело в легкое раздражение, однако я все равно не стал бы обращать особого внимания, только в голове почему-то было мутновато и фразочка Хансенова вдобавок позабылась. Поэтому я сказал:

Вилер даже рассматривал космическую версию эксперимента, в которой рассматриваемыми частицами служат фотоны, испускаемые сильными квазарами с расстояния в миллиарды световых лет. Такой свет мог быть расщеплен на две траектории и перефокусирован в направлении Земли гравитационной линзой галактики, лежащей посредине. Хотя этот эксперимент недосягаем при нынешних технологиях, если мы могли бы собрать достаточно много фотонов этого света, они должны сформировать картину интерференции. Все же, если мы помещаем устройство для получения информации о выборе пути сразу перед детекторным экраном, эта картина должна исчезнуть. Выбор, избрать ли один путь или оба, в этом случае был бы сделан миллиарды лет назад, до того как была сформирована Земля или, возможно, даже наше Солнце, и все же нашим наблюдением в лаборатории мы повлияем на этот выбор.

— Послушай, милашка… Эй, кому это ты там подмигиваешь? А, в глаз что-то попало… Так о чем это я? Ну да. Есть, значит, у нас на «Морской деве» такой парень, Хансен его фамилия, так он стихи пишет! Вот послушай:

В этой главе мы иллюстрировали квантовую физику, используя эксперимент с двойной прорезью. В дальнейшем мы применим формулировку квантовой механики Фейнмана к Вселенной в целом. Мы увидим, что, как и частица, Вселенная имеет не одну лишь единственную историю, но у каждой возможной истории есть собственная вероятность; и наши наблюдения за ее текущим состоянием затрагивают ее прошлое и обуславливают различные истории Вселенной, также как наблюдения за частицами в эксперименте с двойной прорезью затрагивают прошлое частиц. Это рассмотрение покажет, как законы природы в нашей Вселенной возникли из Большого взрыва. Но прежде чем мы исследуем, как возникли законы, мы немного поговорим о том, что эти законы собою представляют, и о некоторых тайнах, которые они за собой влекут.

К славе нам маршрут пролегМимо филиппинских вод,Где испанцев мы надралиВ знойный солнечный денек!

И тут подваливает к нашему столику какой-то гад, вроде как меня в упор не видя, кланяется девушке и приглашающе на нее зыркает:

— Пойдем, детка, стряхнем пыль с копыт!

5. Теория всего

Я его сразу узнал — это был Слейд-Упырь, чемпион «Даунтлесс» на кулачках.

Мисс ла Коста ничего не сказала, а я поднялся и отодвинул Слейда от столика.

Самое непостижимое во Вселенной то, что она постижима. Альберт Эйнштейн
— Леди, — пояснил я вежливо, — занята, дубина! И ежели есть у тебя какие дела, займись лучше ими!

А он грязно ухмыльнулся:

Вселенная постижима, потому что ею управляют научные законы; то есть ее поведение можно смоделировать. Но что это за законы или модели? Первая сила, описанная математическим языком, была силой тяжести. Закон притяжения Ньютона, опубликованный им в 1687 году, гласит, что каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект с силой пропорциональной его массе. Он произвел значительное впечатление на интеллектуалов того времени, потому что в первый раз было показано, что минимум один аспект Вселенной мог быть точно смоделирован, что привело к созданию математического аппарата, чтобы просчитывать это. Идея, что существуют законы природы, была похожа на ту, за что Галилея обвинили в ереси около 50 лет до этого. Например, в Библии говорится, что Иисус Навин молился, чтобы Солнце и Луна остановились, так чтобы у него был бы лишний светлый день, чтобы успеть закончить сражение Аморреев в Ханаане. Как пишется в библии, Солнце продолжало светить целые сутки. Теперь мы знаем, что это означало бы, что Земля прекратила вращаться. Если Земля остановится, в соответствие с законами Ньютона все незакрепленные объекты на ней будут продолжать двигаться по инерции со скоростью вращения Земли (1700 км/час на экваторе) — высокая цена за продолжение солнечного дня. Однако самого Ньютона это не волновало, поскольку, как мы уже отмечали, Ньютон верил в то, что Бог мог вмешиваться и вмешивался в функционирование Вселенной.

— Не шути так, Костиган! Или теперь дамы вправду предпочитают орангутанов нормальным людям?

К этому времени вокруг нас уже народ столпился. Я сдержал естественное негодование и сказал:

Следующим аспектом Вселенной, для которого были открыты законы или модели, являются электрические и магнитные силы. Их поведение подобно гравитации, с важным отличием, что два электрических заряда или два магнита одного типа отталкивают друг друга, а разного типа — притягивают. Электрические и магнитные силы более сильные, чем силы гравитации, но мы обычно не замечаем их в повседневной жизни, потому что макроскопические тела содержат почти равное количество положительных и отрицательных зарядов. Это означает, что электрические и магнитные силы между двумя макроскопическими телами почти уравновешивают друг друга, в отличие от сил гравитации, которые складываются.

— Слышь, ты, гусь! Убери свою харю из поля видимости, пока я ее не расквасил!

Наше нынешнее понятие об электричестве и магнетизме были сформированы за период около ста лет, с середины 18 и до середины 19 веков, когда физики нескольких стран, проводя тщательные эксперименты, изучали электрические и магнитные силы. Одним из важнейших открытий является то, что электрические и магнитные силы взаимосвязаны. Движение электрического заряда влияет на магнит, и движение магнита воздействует на электрические заряды. Первым, кто понял, что существует некоторая взаимосвязь, был датский физик Ганс Христиан Эрстед. Проводя лекцию в университете в 1820 году, Эрстед заметил, что электрический ток из батареи, которую он использовал, влияет на стрелку рядом находящегося компаса. Он вскоре осознал, что электрический ток создал магнитную силу, и ввел новый термин «электромагнетизм». Несколько лет спустя, британский физик Майкл Фарадей обосновал, что — выражаясь современными терминами — если магнитное поле возникает из электрического тока, то и магнитное поле должно производить электрический ток. Он продемонстрировал этот эффект в 1831 году. Четырнадцатью годами спустя, Фарадей также открыл взаимосвязь между электромагнетизмом и светом, когда демонстрировал, что сильное магнитное поле может воздействовать на свойства поляризованного света.

Упырь, доложу вам, парень симпатичный, к дамам имеет подход, и ясно было: если он один раз потанцует с моей девушкой, то наверняка успеет изобрести против меня какую-нибудь подлянку. Вокруг не было больше никого с их посудины, однако и с «Морячки» в баре был только я один.

Фарадей официально был малообразованным. Он родился в семь кузнеца в пригороде Лондона и оставил школу в возрасте 13 лет, чтобы работать рассыльным и переплетчиком в книжном магазине. Там, спустя годы, он изучил науки, читая книги, с которыми он имел дело, и, проводя простые и недорогие эксперименты в свое свободное время. В конце концов, он устроился работать ассистентом в лабораторию великого химика Сэра Хемфри Деви. Фарадей будет продолжать работать там все свои оставшиеся 45 лет, и после смерти Деви, сменит его. Фарадей имел проблемы с математикой и никогда ее хорошо не изучал, поэтому ему было сложно постигать теоретическую картину сложного электромагнитного феномена, который он наблюдал в своей лаборатории. Тем не менее, он справился.

А он вдруг заявил:

— Пусть леди сама выбирает!

Одним из величайших его открытий была идея силового поля. В наши дни, благодаря книгам и кинофильмам о пучеглазых пришельцах и их космических кораблях, большинство людей знакомо с эти понятием, поэтому ему следовало бы получить гонорар. Через века между Ньютоном и Фарадеем, одной из величайших тайн физики было то, что, согласно его законам, эти силы действуют через пустое пространство, которое разделяет взаимодействующие объекты. Фарадею не нравилось это. Он считал, что чтобы переместить объект, нечто должно войти с ним в контакт. И, поэтому, он представлял пространство между электрическими разрядами и магнитами, как заполненное невидимыми трубками, которые физически притягивают и отталкивают. Фарадей назвал эти трубки силовым полем. Чтобы наглядно продемонстрировать силовое поле, нужно выполнить школьный опыт, в котором стеклянная тарелка помещена над куском магнита, и иголки распределяются по стеклу. Металлические опилки двигаются так, если бы их подталкивала невидимая сила, и выстраиваются по силовым линиям от одного магнитного полюса к другому. Этот опыт наглядно демонстрирует невидимые магнитные силы, пронизывающие пространство. Сегодня мы считаем, что все силы распространяются через поля. Это важная концепция в современной физике — так же, как и в научной фантастике.

Нет, видали такого наглеца? Сначала лезет, куда не просили, а после еще требует равноправия! Это уж было слишком. Я взревел и ударил левой от бедра, но Упыря почему-то в том месте, куда я бил, не оказалось — верткий, зараза! Я промахнулся едва не на ярд, а он врезал левой мне в нос, так что я полетел кувырком через кресло.

В голове у меня мгновенно прояснилось, и я понял, что малость зол. Зарычал, поднялся на ноги, но, прежде чем бой возобновился, мисс ла Коста встала между нами.

Несколько десятилетий понимание электромагнетизма не изменялось, оставаясь на уровне знания нескольких эмпирических законов: некоторое подозрение, что электричество и магнетизм близко, если не мистически, связаны; идея, что они имеют какое-то отношение к свету; и зарождающаяся концепция поля. Как минимум одиннадцать теорий электромагнетизма существовало, но каждая из них давала трещину. Но в 1860-е годы шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл облек идеи Фарадея в математическую оболочку, что позволило объяснить близкую и мистическую связь межу электричеством, магнетизмом и светом. Результатом было набор уравнений, описывающих и электрические, и магнитные силы, как демонстрация общей физической сущности — электромагнитного поля. Максвелл объединил электричество и магнетизм в одну силу. Более того он показал, что электромагнитное поле может распространяться через пространство как волна. Скорость этой волны определяется членом его уравнений, которое он определил по экспериментальным данным, которые он наблюдал несколько лет. К своему изумлению, скорость, которую он вычислил, оказалась эквивалентна скорости света, рассчитанной экспериментально с точностью до одного процента. Он обнаружил, что свет сам по себе является электромагнитной волной!

— Фи! — сморщила она носик, шлепая нас веером. — Фи! Что это значит? Или я публичный девка, что меня оскорблять два большой бродяга, которые драться из-за меня на публика? Фи! Вы хотеть драться — идите в лес или в другой место, где не будет скандал, и делать что хотеть! Пусть будет победить лучший! Нет, сэр, из-за меня — нет драться на публика!

С этими словами она повернулась и пошла прочь. И тут же подбежал к нам этакий весь из себя масляный тип.

Сегодня уравнения, описывающие электрические и магнитные поля, называются уравнениями Максвелла. Некоторые слышали о них, но они, вероятно, являются самыми важными уравнениями, которые нам известны. Они не только управляют работой от простейших домашних приборов до компьютера, но они также описывают волны, отличные от света, такие как микроволны, радиоволны, инфракрасные волны и рентгеновские лучи. Все они отличаются от видимого света только одним — длинной волны. Радиоволны имеют длину волны метр или более, тогда как длина волны видимого света — нескольких десятых микрометра, а рентгеновские лучи короче нескольких сотых микрометра. Наше Солнце излучает все длины волн, но его излучение наиболее интенсивное в видимом диапазоне волн. Это не случайно, что длины волн, которые мы способны видеть невооруженным глазом, совпадают с теми длинами, которые Солнце излучает особенно сильно. Вероятно, что наши глаза имеют способность замечать электромагнитное излучение строго в этом диапазоне, потому что этот диапазон излучения наиболее пригодный для них. Если мы когда-либо столкнемся с существами с других планет, они вероятно будут иметь способность «видеть» излучение в каком-то диапазоне длин волн, которое их Солнце излучает наиболее сильно, учитывая такие факторы, как светозапорные характеристики от пыли и газов в атмосфере их планеты. Таким образом, пришельцы, которые эволюционировали при рентгеновском излучении, могли бы сделать хорошую карьеру в службе безопасности аэропорта.

— Тихо, ребята, тихо, — заговорил он, потирая руки, словно от непрестанного самодовольства. — Пусть все будет по чести. Хотите драться? Ай-яй-яй, как нехорошо! Но если уж собрались драться, пусть все будет по чести, вот что я вам скажу! Пусть все живут в мире и согласии, если могут, но если уж вы, ребята, собрались драться, пускай все будет по чести!

Уравнения Максвелла предписывают, что электромагнитные волны распространяются со скоростью около 300 000 километров в секунду или около 670 миллионов миль в час. Но ссылаться скорость ничего не означает, если Вы не определяете систему координат, относительно которой измерена скорость. Это не то, о чем Вы обычно должны думать в повседневной жизни. Когда на Вашем спидометре 60 миль в час, подразумевается, что Ваша скорость измерена относительно дороги, а не черной дыры в центре Млечного пути. Но даже в повседневной жизни есть случаи, в которых Вы должны принять во внимание систему координат. Например, если Вы несете чашку чая по проходу реактивного самолета в полете, Вы могли бы сказать, что Ваша скорость составляет 2 мили в час. Кто-то на Земле, однако, мог бы сказать, что Вы двигаетесь со скоростью в 572 мили в час. Как бы Вы не считали, что один или другой из тех наблюдателей больше прав, имейте в виду, что, потому что Земля вращается вокруг Солнца, кто-то, наблюдая за Вами с его поверхности, не согласился бы с обоими и сказал бы, что Вы двигаетесь приблизительно в 18 миль в секунду, не говоря уже о зависти Вашему комфорту. В свете таких разногласий, когда Максвелл утверждал, что обнаружил «скорость света», получающуюся из его уравнений, естественный вопрос был, какова скорость света в уравнениях Максвелла, измеренная относительно?

— Отойди-ка с курса! Я ему сделаю, так его и растак, по чести! — рявкнул я, трясясь от ярости.

Сами подумайте: получить в нос и не дать сдачи, да еще у дамы на глазах!

Нет никакой причины полагать, что параметр скорости в уравнениях Максвелла — скорость, измеренная относительно земли. Его уравнения, в конце концов, относятся ко всей Вселенной. Альтернативный ответ, который рассматривался некоторое время, — то, что его уравнения определяют скорость света относительно ранее необнаруженной среды, пронизывающее все пространство, названной люминофорным эфиром, или если коротко, просто эфир, который был термином Аристотеля для вещества, которое, как он полагал, заполняет всю Вселенную вне земной сферы. Этот гипотетический эфир был бы средой, через которую распространяются электромагнитные волны, как звук распространяется через воздух. Если бы эфир существовал, был бы абсолютный стандарт покоя (то есть, покоя относительно эфира) и, следовательно, абсолютный способ определить движение. Эфир обеспечил бы привилегированную систему отсчета всюду по всей Вселенной, относительно которой могла быть измерена скорость любого объекта. Таким образом, эфир, как постулировалось, существовал только теоретически, побуждая некоторых ученых на поиски способа изучить его, или, по крайней мере, подтвердить его существование. Одним из этих ученых был сам Максвелл.

— Да ну? — ухмыльнулся Упырь, поднимая грабки. — Ну, выходи! Поглядим!

Если Вы мчитесь через воздух к звуковой волне, волна приближается к Вам быстрее, и если Вы мчитесь от нее, это приближается к Вам более медленно. Точно так же, если бы был эфир, то скорость света изменилась бы в зависимости от Вашего движения относительно эфира. Фактически, если свет действовал бы подобно звуку, так же, как люди на сверхзвуковом самолете никогда не будут слышать звука, который доносится из самолета, также путешественники, мчащиеся достаточно быстро через эфир были бы в состоянии опередить световую волну. Рассуждая таким образом, Максвелл предложил эксперимент. Если есть эфир, Земля должна перемещаться сквозь него, поскольку она вращается вокруг Солнца. И так как Земля движется в другом направлении в январе чем, скажем, в апреле или июле, можно было бы заметить небольшое различие в скорости света в разное время года — см. рисунок ниже.

— Тихо, ребята, спокойно, — взмахнул ручонками этот гусь. — Давайте все устроим по чести! Костиган, ты согласен драться со Слейдом в моем клубе?

— Да где угодно! — заревел я. — На кулачках, в перчатках или хоть свайками!

От публикации этой идеи в «Трудах Королевского Общества» Максвелла отговаривал его редактор, который не считал, что эксперимент сработает. Но в 1879, незадолго до того, как он умер в сорок восемь лет от рака желудка, Максвелл послал письмо о этом своему другу. Письмо было издано посмертно в журнале Nature, где его прочитал, среди прочих, американский физик по имени Альберт Майкельсон. Вдохновленный предположением Максвелла, в 1887 году Майкельсон и Эдвард Морли выполнили очень чувствительный эксперимент, задуманный, чтобы измерить скорость, с которой Земля движется сквозь эфир. Их идея состояла в том, чтобы сравнить скорость света в двух различных направлениях, под прямым углом. Если бы скорость света была постоянным числом относительно эфира, измерения должны были обнаружить скорости света, которые отличались бы в зависимости от направления луча. Но Майкельсон и Морли не заметили такого различия.

— И замечательно! — воскликнул тот, масляный, потирая руки пуще прежнего. — Просто замечательно! А… Э-э… Костиган, согласен ты драться со Слейдом в змеиной яме?

Мне бы еще тогда следовало подметить, что Слейда он ни о чем не спрашивал и тот только тихонько ухмылялся. Но слишком уж я был зол, чтобы мыслить ясно.

Результат эксперимента Майкельсона и Морли находится ясно в конфликте с моделью электромагнитных волн, распространяющихся через эфир, и заставил отказаться от модели эфира. Но цель Майкельсона состояла в том, чтобы измерить скорость Земли относительно эфира, а не доказать или опровергнуть гипотезу эфира, и что он открыл, не подтолкнуло его прийти к заключению, что эфира не существует. Никто больше также не пришел к такому выводу. Известный физик сэр Уильям Томсон (Лорд Келвин) сказал в 1884 году, что эфир был «единственной субстанцией, в которой мы уверены в динамике». Единственное, в чем мы уверены, так это в истинности и реальности люминофорного эфира.

— Хоть в преисподней с дьяволом вместо рефери! Где твой клуб, или там ринг, или палуба — веди!

Как можно верить в эфир, не смотря на результаты эксперимента Майкельсона — Морли? Как мы уже говорили, люди часто пытаются спасти изобретенную модель специальными дополнениями. Некоторые постулировали, что Земля тянула эфир за собой, таким образом, мы фактически не двигались относительно него. Голландский физик Хендрик Антун Лоренц и ирландский физик Джордж Фрэнсис Фицджеральд предположили, что в структуре, которая перемещалась относительно эфира, вероятно из-за некоторого все же неизвестного механического эффекта, ход времени замедляется, и расстояния сокращаются таким образом, что измерение скорости света дает то же самое значение. Такие усилия спасти понятие эфира продолжались в течение почти двадцати лет до замечательной статьи молодого и неизвестного клерка в патентном бюро в Берне, Альберта Эйнштейна.

— Вот это разговор! — обрадовался тот масляный тип. — Идемте.

Эйнштейну было двадцать шесть лет в 1905, когда он опубликовал свою работу «Zur Elektrodynamik bewegter Korper» («К электродинамике движущихся тел»). В ней он сделал простое предположение, что законы физики и в особенности скорость света, должны быть одинаковыми для всех равномерно движущихся наблюдателей. Эта идея совершила революцию в нашем понятии о пространстве и времени. Чтобы понять почему, вообразите два события, которые имеют место в той же самой точке, но в разное время в реактивном самолете. Для наблюдателя на самолете расстояние между этими двумя событиями будет нулевым. Но для второго наблюдателя на Земле события будут отделены расстоянием, самолет пролетел за время между событиями. Это показывает, что два наблюдателя, которые двигаются друг относительно друга, не смогут прийти к соглашению о пройденном расстоянии между двумя событиями.

Он направился к выходу, а мы со Слейдом и еще несколько человек последовали за ним. Если б я малость поразмыслил, так понял бы: слишком гладко все вышло для простого совпадения. Однако я все еще пылал гневом и не мог спокойно думать.

Теперь предположите, что эти два наблюдателя наблюдают луч света, направляющегося от хвоста самолета к его носу. Так же, как в вышеупомянутом примере, они не смогут договариваться о расстоянии, которое прошел свет от хвоста самолета к его носу. Так как скорость — это расстояние, пройденное за определенное время, это значит, что если они придут к соглашению о скорости, с которой распространяется луч — скорости света — это значит, что они не придут к соглашению об интервале времени между началом распространения луча вдоль самолета и его окончанием.

Успел, правда, прикинуть свои шансы против Слейда. В росте я имел преимущество: во мне ровно шесть футов, а Слейд на два дюйма ниже. Вдобавок я был на несколько фунтов тяжелее, но не настолько, чтоб разница для тяжеловесов вышла существенная.

В чем странность этого явления — в том, что, хотя эти два наблюдателя измерили различные интервалы времени, они наблюдали тот же самый физический процесс. Эйнштейн не пытался искусственным образом объяснить это. Он вывел поразительное заключение, что измерение затраченного времени на преодоление расстояния, зависит от наблюдателя, проводящего измерение. Тот эффект является одним из ключевых в теории, описанной в статье Эйнштейна в 1905 году, которая получила название специальной теории относительности.

Однако Слейд был мне известен как самый проворный и хитрый боец всего торгового флота. Я с ним ни разу не дрался только по той простой причине, что ни один устроитель матчей ни в едином порту не желал сводить вместе ребят с «Морячки» и бродяг с «Даунтлесс» с тех самых пор, как Слейд дрался в Сингапуре с Грэннигеном Один Раунд. Там дошло до всеобщей махаловки и кончилось тем, что весь зал разнесли. Слейд в тот раз нокаутировал Грэннигена, который был в те времена чемпионом «Морячки» — это уже позже я его победил.

Мы можем видеть, как этот анализ может применяться к устройствам хронометрирования, если мы рассматриваем двух наблюдателей, наблюдающих за часами. Специальная теория относительности считает, что часы бегут быстрее согласно наблюдателю, который находится в покое относительно часов. Наблюдателям, которые не являются в покое относительно часов, кажется, что часы бегут медленнее. Если мы уподобляем световой импульс, идущий из хвоста до носа самолета, тиканью часов, мы видим, что для наблюдателя на Земле часы идут медленнее, потому что в той системе координат луч света должен переместиться на большее расстояние. Но результат не зависит от механизма часов; он справедлив для всех часов, даже наших собственных биологических.

Ну, а по сравнительным результатам никогда не скажешь наверняка. Я одержал победу по решению судей над Хэгни-Хвастуном, чемпионом Британско-Азиатского ВМФ, а он однажды в Гонконге нокаутировал Слейда. С другой стороны, Слейд выиграл нокаутом у Майка Лири с «Голубого родника», ужасно вздрючившего меня в Бомбее…

Мои размышления прервал тот масляный тип. Мы как раз вышли из бара на мостовую, где стояло около десятка авто и зрители битком набивались в них. Гусь этот подтолкнул меня к одной из машин, и я влез тоже.

Работа Эйнштейна показала, что, как и понятие покоя, время не может быть абсолютным, как полагал Ньютон. Другими словами, невозможно определить для каждого события время, с которым согласится любой наблюдатель. Вместо этого у всех наблюдателей есть свои собственные меры времени, и время, измеренное двумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга, не будет совпадать. Идеи Эйнштейна вступают в противоречие с нашей интуицией, потому что их последствия не заметны на скоростях, с которыми мы обычно сталкиваемся в повседневной жизни. Но они неоднократно подтверждались экспериментально. Например, представьте себе эталонные часы в состоянии покоя в центре земли, другие часы на поверхность земли, а третьи на борту самолета, летящего либо по направлению, либо против направления вращения Земли. По отношению к часам в центре земли часы на борту самолета, движущегося в восточном направлении — в направлении вращения земли — перемещаются быстрее, чем часы на поверхности Земли, и поэтому они должны идти медленнее. Точно так же в отношении часов в центре земли, часы на борту самолета, летящего на запад — против вращения земли — перемещаются медленнее, чем часы на поверхности, что означает, что эти часы должны идти быстрее, чем часы на поверхности. И это в точности наблюдалось, когда в эксперименте, проделанном в октябре 1971, очень точные атомные часы облетели вокруг света. Таким образом, можно растянуть свою жизнь, постоянно летя в восточном направлении вокруг света, хотя Вы могли бы устать от просмотра всех тех кинофильмов авиалиний. Однако эффект очень мал, приблизительно 180 миллиардных частей секунды за оборот (и он также несколько уменьшается из-за влияния разницы в силе тяжести, но нам здесь не нужно в это вдаваться).

И вот понеслись мы по улицам, фонари уже горели, а я сидел и ни о чем не спрашивал, даже когда мы оставили деловые кварталы позади, вихрем промчались сквозь пригород и выехали на дорогу, которой явно никто особо не пользовался. Сидел, значит, и молчал.

В конце концов мы подъехали к большому зданию, стоявшему в отдалении от города и очень похожему на заброшенный дворец. Зрители повылезали из машин, и я тоже выбрался наружу, хотя был совершенно озадачен. Других домов поблизости не было, вокруг повсюду густо росли деревья, да и само здание выглядело темным и мрачным. Словом, местный пейзаж мне крайне не понравился, однако не мог же я дать слабину, когда Слейд-Упырь этак надменно на меня взирал. «В конце концов, — подумал я, — не убьют же меня тут! Не настолько Слейд подл, хотя, вообще-то, от него чего угодно можно ожидать».

Благодаря работе Эйнштейна, физики поняли, что из-за требования, чтобы скорость света была одной и той же во всех системах координат, теории электричества и магнетизма Максвелла определяют, что время нельзя рассматривать отдельно от трех пространственных измерений. Наоборот, время и место взаимосвязаны. Это нечто вроде добавления четвертого направления будущее/прошлое к обычным влево/вправо, взад/вперед, и вверх/вниз. Физики называют это сочетание пространства и времени «пространство-временем», и поскольку пространство-время включает четвертое направление, они называют его четвертым измерением. В пространстве-времени время больше не отделено от трех пространственных измерений, и, грубо говоря, как определение влево/вправо, вперед/назад или вверх/вниз зависит от ориентации наблюдателя, так же направление времени меняется в зависимости от скорости наблюдателя. Наблюдатели, движущиеся на различных скоростях, выбрали бы различные направления для времени в пространстве-времени. Специальная теория относительности Эйнштейна поэтому была новой моделью, которая избавилась от понятий абсолютного времени и абсолютного покоя (то есть, покоя относительно неподвижного эфира).

К дому вела дорожка с тропическими деревьями по обеим сторонам. Отперев двери, тот масляный тип зажег свет, и мы спустились в подвал. Просторное такое оказалось помещение, с бетонным полом, а в центре — яма примерно восемь на десять футов и футов семи в глубину. В тот момент я не обратил на нее внимания, зато потом пришлось, да еще как!

— Слышь, — сказал я, — на кой ты меня сюда приволок? Я дурачиться не расположен! Где ринг?

— Здесь, — ответил этот гусь.

Эйнштейн скоро понял, что, чтобы согласовать гравитацию с относительностью, необходимо было дополнительное измерение. Согласно теории тяготения Ньютона, в любой момент времени объекты притягиваются друг к другу силой, зависящей от расстояния между ними в этот момент. Но теория относительности упразднила понятие абсолютного времени, поэтому не было никакого способа определить, когда должно быть измерено расстояние между массами. Таким образом, теория тяготения Ньютона не была совместима со специальной относительностью и должна была быть изменена. Противоречие могло походить на простую техническую трудность, возможно, даже детали этого так или иначе могли быть решены обходным путем без большого изменения в теории. Как оказалось, ничего подобного.

— Да где же? Где мы будем драться? А он указал на яму:

За последующие одиннадцать лет Эйнштейн разработал новую теорию тяготения, которую он назвал общей относительностью. Понятие силы тяжести в общей относительности совсем не похоже на Ньютоновское. Вместо этого оно базировалось на революционном предложении, что пространство-время не плоское, как было принято ранее, а изогнуто и искривлено массой и энергией в нем.

— Там. Внизу.

— Что?! — заорал я. — Ты что мне тут вкручиваешь?

Хороший способ изобразить искривление — представить себе поверхность Земли. Хотя поверхность Земли всего лишь двумерна (потому что на ней есть только два направления, например, север/юг и восток/запад), мы собираемся использовать ее в качестве нашего примера, потому что искривленное двумерное пространство легче себе представить, чем искривленное четырехмерное пространство. Геометрия искривленных пространств, таких как поверхность Земли, не представляет собой знакомую нам Евклидову геометрию. Например, на поверхности Земли самое короткое расстояние между двумя пунктами — которое мы знаем как прямую в Евклидовой геометрии — это путь, соединяющий два пункта вдоль так называемого большого круга. (Большой круг — это круг на поверхности Земли, центр которого совпадает с центром Земли. Экватор — пример большого круга, и вообще, любой круг, полученный поворотом экватора вместе с различными диаметрами).

— Охолони, охолони, — вмешался Упырь. — Ты ведь согласился драться со мной в змеиной яме, так? Значит, не ной и вылазь из штанов!

Представьте, скажем, что Вы хотели путешествовать из Нью-Йорка в Мадрид, два города, лежащие почти на одной и той же широте. Если бы Земля была плоской, то самый короткий маршрут должен был держать курс прямо на восток. Если бы Вы так сделали, то прибыли бы в Мадрид, пропутешествовав 3707 миль. Но из-за искривления Земли есть путь, который на плоской карте выглядит кривым и, следовательно, более длинным, но который в действительности короче. Вы можете добраться туда, преодолев 3605 миль, если проследуете по маршруту большого круга, который должен сначала взять курс на северо-восток, затем постепенно повернуть на восток, а затем на юго-восток. Различие в расстоянии между этими двумя маршрутами возникает из-за искривления Земли и свидетельства ее неевклидовой геометрии. Авиалинии знают это и принимают меры, чтобы их пилоты следовали маршрутами большого круга практически всегда.

— Ладно, — согласился я, весь изнутри пылая гневом. — Не знаю, что ты такое затеял, но дай только дотянуться до твоей смазливой рожи кулаком, больше мне ничего не надо!

— Гр-р-р! — зарычал в ответ Слейд, направляясь к противоположной стороне ямы.

Согласно законам механики Ньютона, объекты, такие как пушечные ядра, круассаны и планеты, перемещаются по прямым линиям, если на них не действуют силы, такие как сила тяжести. Но гравитация в теории Эйнштейна не является силой, подобно другим; скорее она представляет собой следствие того факта, что масса искажает пространство-время, создавая искривление. В теории Эйнштейна объекты движутся по геодезическим линиям, что ближе всего к прямым в искривленном пространстве. Линии являются геодезическими на плоскости, а большие круги — геодезические на поверхности Земли. В отсутствие вещества, геодезические линии в четырехмерном пространстве-времени соответствуют линиям в трехмерном пространстве. Но когда вещество присутствует, искажая пространство-время, пути тел в соответствующем трехмерном пространстве искривляются в смысле, который в Ньютоновой теории объяснялся силой притяжения. Когда пространство-время искривлено, пути объектов изгибаются, будто какая-то сила воздействует на них.

С ним в качестве секундантов пошли два каких-то бандита — судите сами, что он за человек. Какая бы ни собралась жуткая публика, у него везде найдутся знакомцы. Оглядевшись по сторонам, я узнал одного карманника, с которым познакомился на Кубе, и попросил его секундировать мне. Он согласился, но добавил, что от секунданта в данных обстоятельствах пользы мало.

Из общей теории относительности Эйнштейна выделяют специальную теорию относительности, для случаев с нулевой гравитацией, которая выдаёт почти такие же предсказания, как и теория тяготения Ньютона для среды в нашей Солнечной системе со слабым тяготением — но не совсем. Фактически, если бы общая относительность не принималась во внимание спутниковой навигационной системой GPS, ошибок глобального позиционирования накапливалось бы около десяти километров каждый день! Так или иначе, подлинное значение общей относительности не в применении её в устройствах, которые укажут вам путь до нового ресторана, но скорее в том, что это совершенно новая модель Вселенной, предсказывающая новые явления, такие как гравитационные волны и чёрные дыры. И таким образом общая относительность превратила физику в геометрию. Современные технологии достаточно чувствительны, чтобы позволить нам выполнять множество чувствительных проверок общей относительности, и она выдерживает их все без исключения.

— Слушай, — спросил я его, пока раздевался, — во что это я встрял? Что за малина такая?

— Был тут один испанец, — ответил мой парнишка, помогая мне переодеться. — Капусты — куда больше, чем мозгов. Без ума был от боя быков и всякого такого прочего, а потом изобрел новую потеху. Велел устроить эту яму, послал слуг за разными змеями. Двух змей бросали вниз, и они дрались, пока не убивали друг друга.

Хотя обе радикально изменили физику, теория электромагнетизма Максвелла и теория гравитации — общей относительности Эйнштейна — обе, подобно собственной физике Ньютона, являются классическими теориями. Значит они — модели, в которых Вселенная имеет единственную историю. Как мы видели в последней главе, на атомных и субатомных уровнях эти модели не согласуются с наблюдениями. Вместо этого мы должны использовать квантовые теории, в которых у Вселенной может быть любая возможная история, каждая со своей собственной амплитудой интенсивности или вероятности. Для практических вычислений, касающихся будничного мира, мы можем продолжать использовать классические теории, но если мы хотим понять поведение атомов и молекул, мы нуждаемся в квантовой версии теории электромагнетизма Максвелла; и если мы хотим понять раннюю Вселенную, когда вся материя и энергия во Вселенной были сжаты в маленький объем, у нас должна быть квантовая версия общей теории относительности. Мы нуждаемся в таких теориях также потому, что, если мы стремимся к пониманию принципов природы, было бы нелогично, если бы некоторые из законов были квантовыми, в то время как другие — классическими. Поэтому мы должны найти квантовые версии всех законов природы. Такие теории называют теориями квантового поля.

— Что?! Значит, мы будем драться в змеином логове?!

— А, да не волнуйся. Здесь уже много лет нет никаких змей. Испанца того убили, и дом обветшал. Устраивали здесь петушиные бои, а несколько лет назад хмырь, что организовал вашу встречу, додумался купить этот дом и использовать для поединков из-за личной злобы.

Известные силы природы могут быть разделены на четыре класса:

— А деньги-то ему с чего капают? Я не видал, чтобы кто-нибудь платил за билеты. Да и всей публики здесь — человек тридцать или сорок.



— На этот раз у него просто не было времени. Деньги он делает на ставках, а ставит всегда на победителя. И судит всегда сам. Он узнал, что ваши корабли завтра уходят, и не успел ничего приготовить. А этот клуб — для немногих избранных, слишком пресыщенных либо жестоких, чтобы довольствоваться обычными призовыми матчами. Все это, конечно, незаконно, и никто в городе этого клуба не знает, кроме некоторых шишек, которые за удовольствие заплатят, не торгуясь. Когда Слейд дрался с Хэндлером-Моряком, здесь было сорок пять человек, и каждый заплатил за вход сто двадцать пять долларов. Считай сам.

1. Гравитация. Это самая слабая из четырех сил, но она — сила дальнего действия и воздействует на все во Вселенной в виде притяжения. Это означает, что для больших тел все гравитационные силы складываются и могут доминировать над всеми другими силами.

Тут до меня мало-помалу начало доходить, в чем штука.

— Так Слейд и раньше здесь дрался?



— Конечно. Он в этой яме чемпион. Месяц тому назад нокаутировал Хэндлера-Моряка на девятом раунде.

Господи Иисусе! Только пару месяцев назад мы с Хэндлером (рост шесть футов четыре дюйма, вес — двести двадцать фунтов) целых двадцать раундов только что ножами не резались — и закончили вничью!

2. Электромагнетизм. Это также сила дальнего действия и намного более сильная, чем гравитация, но она действует только на электрически заряженные частицы, отталкивая заряды одинаковых знаков и притягивая заряды противоположных знаков. Это означает, что электрические силы в больших телах уравновешивают друг друга, но в масштабах атомов и молекул они преобладают. Электромагнитные силы ответственны за всю химию и биологию.

— Э-э! — протянул я. — Значит, Слейд нарочно подвалил и затеял ссору, зная, что он тут фаворит, что меня обжулят…

— Нет, — возразил мой карманник. — Не думаю. Просто ему очень уж понравилась та испаночка. Если б они сговорились наперед, новость непременно дошла бы до всех богатеньких клиентов в городе. Да хозяину все равно ваша встреча ничего не стоит, потому он и за вход платы не брал. Подумай сам, что он теряет? Два крутых матросика сами друг друга хотят побить, им платить не нужно. Организационных расходов — никаких. А клубу — реклама. И на пари он выиграет кучу денег.



— И на кого же он ставит?

3. Слабое ядерное взаимодействие. Это сила является причиной радиоактивности и играет жизненно важную роль в формировании элементов в звездах и ранней Вселенной. Мы, однако, не сталкиваемся с этой силой в нашей повседневной жизни.

— На Слейда, конечно. Он здесь чемпион.



Не успел я усвоить все эти радостные известия, как Слейд заорал с другого края ямы:

4. Сильное ядерное взаимодействие. Эта сила удерживает вместе протоны и нейтроны в ядре атома. Она также удерживает от распада сами протоны и нейтроны, что необходимо, потому что они сделаны из еще более крошечных частиц, кварков, которые мы упоминали в Главе 3. Сильное взаимодействие — источник солнечной и ядерной энергии, но, как и со слабым взаимодействием, мы с ним напрямую не контактируем.

— Эй, так твою и растак, готов?!



Он остался в носках, башмаках да подштанниках. Перчаток на руках не было.