Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле - Карло Ровелли

Несложный расчет показал Эйнштейну, как много энергии получается при преобразовании одного грамма массы. Результат выражается знаменитой формулой E = mc2. Поскольку скорость света c – это очень большая величина, а c2 – еще большая, энергия, получаемая из одного грамма массы, колоссальна. Это энергия миллионов одномоментно взорвавшихся бомб: ее достаточно, чтобы месяцами освещать город и питать промышленность страны или, напротив, чтобы в одну секунду уничтожить сотни тысяч человеческих жизней в таком городе, как Хиросима.

Теоретические рассуждения молодого Эйнштейна перенесли человечество в новую эру – эру ядерной энергии, новых возможностей и новых опасностей. Сегодня благодаря интеллекту этого молодого бунтаря, не выносившего жестких правил, мы получили средства, способные обеспечить светом жилища 10 миллиардов людей, которые вскоре будут населять нашу планету, средства для космических путешествий к другим звездам, а также средства, позволяющие уничтожить друг друга и разрушить планету. Все зависит от нашего выбора: каких лидеров мы призовем принимать для нас решения.

Сегодня структура пространства-времени, предложенная Эйнштейном, хорошо понята и многократно проверена в лабораториях, она считается надежно установленной. Время и пространство – не такие, какими они представлялись со времен Ньютона. Пространство не существует независимо от времени. В расширенном пространстве (рис. 3.2) нет какого-то выделенного среза, который с бо́льшим основанием, чем другие, можно было бы назвать «пространство сейчас». Наше интуитивное представление о настоящем как о единстве всех событий, происходящих «сейчас» во Вселенной, – это результат нашей слепоты, нашей неспособности воспринимать малые временные интервалы. Это необоснованная экстраполяция нашего ограниченного опыта.

Представление о настоящем, подобно представлению о плоской Земле, является иллюзией. Мы представляли себе Землю плоской в силу ограниченности наших чувств, поскольку мы не могли видеть намного дальше своего носа. Если бы мы жили на астероиде диаметром несколько километров, как планета Маленького Принца, мы легко представили бы себе, что находимся на сфере. Если бы наш мозг и наши органы чувств давали нам более точное восприятие и мы легко воспринимали бы наносекундные отрезки времени, нам никогда бы не пришло в голову, что «настоящее» простирается повсюду. Мы бы свободно воспринимали существование промежуточной зоны между прошлым и будущим. Мы бы хорошо понимали, что слова «здесь и сейчас» имеют смысл, но слово «сейчас», обозначающее события, «происходящие в данный момент» по всей Вселенной, не имеет смысла. Оно подобно вопросу о том, находится наша Галактика «выше или ниже» галактики в Андромеде, не имеет смысла, поскольку понятия «выше» и «ниже» наделены смыслом только на поверхности Земли, а не в космосе. Во Вселенной нет «верха» и «низа». И аналогичным образом два события в ней далеко не всегда связаны отношениями «до» или «после». Получившуюся в результате структуру из сплетенных между собой пространства и времени, как это изображено на рис. 3.2 и 3.3, физики называют пространством-временем (рис. 3.4).

Когда журнал Annalen der Physik опубликовал статью Эйнштейна, внезапно прояснившую все эти вопросы, это произвело грандиозное впечатление на физическое сообщество. Явные противоречия между уравнениями Максвелла и ньютоновской физикой были хорошо известны, но никто не знал, как их разрешить. Эйнштейновское решение, поразительное и чрезвычайно элегантное, стало для всех неожиданностью. Рассказывают, как в тускло освещенных старых залах Краковского университета строгий профессор физики, оторвавшись от своих занятий, потрясал эйнштейновской статьей и кричал: «Родился новый Архимед!»

Рис. 3.4. Из чего состоит мир?

Но, несмотря на бурную реакцию, спровоцированную прорывом, который совершил Эйнштейн в 1905 году, мы еще не добрались до его подлинного шедевра. Триумфом Эйнштейна стала его вторая теория относительности – общая теория относительности, опубликованная десятью годами позднее, когда ему было тридцать пять.

Теория «общей относительности» – это самая красивая теория, порожденная физикой, и первый столп квантовой гравитации. Она является стержневой темой для всей этой книги. Именно здесь начинается подлинная магия физики XX века.

После публикации специальной теории относительности Эйнштейн становится знаменитым физиком и получает приглашения на работу от множества университетов. Но его продолжает кое-что беспокоить: специальная теория относительности не согласуется с тем, что известно о гравитации. Он понимает это в ходе написания обзора своей теории и задумывается, не следует ли пересмотреть общепризнанную теорию всемирного тяготения, созданную отцом физики Ньютоном, чтобы добиться совместимости с его теорией относительности?

Источник проблемы понять нетрудно. Ньютон хотел объяснить, почему предметы падают, а планеты вращаются по орбитам. Он придумал «силу», которая притягивает все тела друг к другу, – силу гравитации. Но каким образом этой силе удается воздействовать на удаленные предметы, когда между ними ничего нет, было непонятно. Сам Ньютон, как мы видели, подозревал, что в этой идее силы, действующей между далекими телами без соприкосновения, чего-то не хватает и что для притяжения Луны Землей между ними должно быть нечто, передающее эту силу. Два столетия спустя Фарадей нашел решение, правда, не для силы гравитации, а для электрических и магнитных сил – поле. Электрические и магнитные силы «переносятся» электрическими и магнитными полями.

На этой стадии любому рациональному человеку было очевидно, что сила гравитации тоже должна иметь свои фарадеевы линии. Также по аналогии было очевидно, что сила притяжения между Солнцем и Землей или между Землей и падающим предметом должна быть приписана полю – в данном случае гравитационному полю. Ответ на вопрос о том, что переносит силу, найденный Фарадеем и Максвеллом, очевидно, должен применяться не только к электричеству, но также и к гравитации. Должно существовать гравитационное поле, а уравнения, аналогичные максвелловским, должны описывать, как движутся фарадеевы гравитационные линии. В первые годы XX века все это было ясно любому достаточно последовательному человеку; иначе говоря, это было ясно только Альберту Эйнштейну.

Эйнштейн, которого с юности восхищало электромагнитное поле, толкавшее роторы на электростанциях его отца, начал задумываться о гравитационном поле и искать уравнения, которые могли бы его описать. Он полностью погрузился в эту проблему. На то, чтобы решить ее, ушло десять лет. Десять лет упорных исследований, попыток, ошибок, недоразумений, блестящих идей, неверных допущений, статей с некорректными уравнениями, новых ошибок, стресса. Наконец, в 1915 году он отправил в печать статью, содержащую исчерпывающее решение, которое он назвал общей теорией относительности, – свой шедевр. Лев Ландау, самый блестящий физик-теоретик Советского Союза, называл ее «самой красивой из всех существующих физических теорий».