Помоги проекту - поделись книгой:
Потом он переехал в Нью-Джерси. Там есть много чудесных мест, за исключением гор и каньонов. Но у Гиддингса не было на них времени. Дни, ночи, будни и выходные он проводил за подготовкой к экзаменам. Казалось, что принстонский курс физики для аспирантов был создан специально, чтобы опрокинуть его каяк. «Поддержка практически отсутствовала, – говорит Гиддингс. – В этой атмосфере студенты чувствовали себя совершенно затюканными». Гиддингс подумывал сбежать, но у него хватило твердости, чтобы сдать экзамены в 1984 г. Это было время большого воодушевления в области теоретической физики. Ученые по всему миру бросали все остальное и переключались на теорию струн, претендовавшую на звание единой теории всего.
Теория струн получила свое название от идеи о том, что субатомные частицы похожи на крошечные резиновые ленты или гитарные струны. То, что мы воспринимаем как разные виды частиц, – это на самом деле просто разные способы колебаний этих струн, что делает мир симфонией немыслимой сложности. Теория томилась в безвестности с конца 1960-х гг., и переломный момент наступил, когда немногочисленным энтузиастам удалось убедить большинство в ее внутренней непротиворечивости. «Это было настоящее дело, и оно захлестнуло меня с головой», – вспоминает Гиддингс. Эдвард Виттен, корифей этой области, попросил его решить ключевое уравнение, и через несколько месяцев упорного труда, пробуя один математический метод за другим, он сделал это. Тем временем Гиддингс познакомился с несколькими любителями каяка и обнаружил, что Штат садов[7] получил свое прозвище не совсем незаслуженно. «Я начал понимать, что это, может быть, и сработает», – говорит он.
Разрешение противоречий с черными дырами было одной из главных причин для поиска единой теории, и в 1990 г. Гиддингс решил заново пройти шаги, приведшие к парадоксу, которые были изложены знаменитым кембриджским теоретиком Стивеном Хокингом в середине 1970-х гг. Хокинг исходил из того, что распад – это закон природы. Практически все в этом мире в конце концов умирает. И черные дыры – не исключение, и не могут им быть, раз они образуются. Разрушение – это создание наоборот. «Если можно сделать черную дыру из случайного мусора, значит, черная дыра может распасться на случайный мусор», – говорит Гиддингс.
Согласно исследованиям Хокинга, распад не означает, что внутреннее содержимое черной дыры просачивается наружу. Да разве такое возможно? Чтобы вырваться за пределы горизонта событий, внутреннее содержимое должно вытекать со сверхсветовой скоростью. Вместо этого дыра разрушается от краев к середине. Горизонт событий выводит из равновесия электрическое, магнитное и другие поля, заставляя их излучать частицы как чешуйки ржавчины. Черная дыра, равная по массе нашему Солнцу, испускает примерно одну частицу в секунду, что слишком мало для того, чтобы такие астрофизики, как Нараян, могли обнаружить это с помощью приборов, но достаточно для того, чтобы за триллионы лет превратить черную дыру в беспорядочное, бесформенное облако частиц. Структура попавшей туда материи, информация, содержавшаяся в ней, все следы того, чем она была раньше, – все утрачивается. Другими словами, попадание в черную дыру необратимо не только в том смысле, что из нее нельзя выбраться обратно. Это было бы не так страшно, поскольку, если вообразить себя богом, можно заглянуть в черную дыру и восстановить, как там оказалось все, что в ней есть. Но попадание в черную дыру необратимо еще и в том смысле, что материя в ней уничтожается с такой тщательностью, что даже богу не удалось бы восстановить оригинал.
Как заметил сам Хокинг, его вычисления были непростыми. Он смог понять, как черная дыра влияет на вылетающие частицы, но не то, как вылетающие частицы влияют на черную дыру: а это взаимное влияние могло бы открыть потайную дверь между пространством снаружи и внутри дыры, позволяющую захваченной материи возвращаться наружу. Если так, то попадание в черную дыру было бы все же обратимо и парадокс исчез. Поэтому Гиддингс и несколько его коллег провели новое исследование, основанное на теории струн, в поисках потайных дверей и лазеек, не учтенных в вычислениях Хокинга. Они ничего не нашли. Хокинг был прав. «С помощью этих простых моделей в самом деле подтверждается первоначальное видение Хокинга», – говорит Гиддингс.
Таким образом, нет простого способа избежать парадокса (не говоря уже о черной дыре). Одно из допущений, используемых при доказательстве, должно быть ошибочно, а таких допущений в действительности всего два: обратимость и локальность. Сначала Хокинг посчитал неверным первое из них. Он предположил, что квантовая теория неверна и падение в черную дыру необратимо. Однако похоже, что в квантовой теории работает правило «все или ничего»: если она не работает в одном месте, то не работает нигде. Если она дает осечку там, где предположил Хокинг, мы должны видеть подобные проколы и в обычных условиях, а мы их не видим. В итоге Хокинг согласился с тем, что черные дыры должны быть обратимы. Тогда, по умолчанию, ошибочным должен быть принцип локальности. «Я продолжаю биться над вопросом о том, как попадает наружу информация: похоже, что этот процесс просто обязан быть нелокальным», – говорит Гиддингс.
Примерно к тому же выводу пришли еще несколько исследователей, но общее настроение было неоднозначным. Нелокальность в черных дырах еще труднее переварить, чем нелокальность в экспериментах с частицами. Если квантовая запутанность – трудноуловимое явление, не противоречащее открыто никаким другим законам физики, то движение со сверхсветовой скоростью через горизонт событий настолько грубое противоречие, что грубее придумать сложно. Это нарушение так же нахально, как езда со скоростью 150 км/ч на виду у патрульного. Гиддингс не мог шага ступить по коридору или выйти за чашечкой кофе, чтобы какой-нибудь коллега не высказался против его готовности серьезно рассматривать нелокальность, и в итоге он забросил эту тему почти на десятилетие. «Это выглядело довольно безумно, – говорит он. – Я не пошел дальше. Я слишком быстро уступил скептикам». На деле Гиддингс просто немного опередил свое время.
Бетономешалка и дочь скульптора
Даже простая возможность существования второго типа нелокальности чрезвычайно существенна. Она указывает на то, что явление, обнаруженное Эйнштейном, лишь один из фрагментов большой мозаики. Это не доказывает, что нелокальность действительно работает или что эти два типа нелокальности как-то связаны, но психологически очень важно. В науке, как и в жизни вообще, именно второй, а не первый случай привлекает внимание людей. Третий случай означает наличие тенденции.
Этот следующий тип нелокальности, о котором я расскажу, не настолько признан, как квантовая запутанность или черные дыры, но если он действительно существует, то все еще серьезнее. Он проявляется в наблюдениях, которые кажутся настолько очевидными, что вы можете даже не воспринимать их как наблюдения. Если вы взглянете на ночное небо, то увидите, что оно темное. Наверное, это вряд ли будет откровением. И все же темнота ночи – одна из основ теории Большого взрыва, поскольку темнота означает, что Вселенная конечна по возрасту, или по размеру, или по тому и другому сразу. Если бы Вселенная была бесконечно большой и древней, то мы бы видели бесконечно далеко во всех направлениях и в поле зрения всегда попадала бы какая-нибудь звезда. Звезды создавали бы непрерывную стену света. Это было бы похоже на жизнь в таком глухом и старом лесу, что, куда бы вы ни посмотрели, вы бы увидели дерево. Так что в следующий раз, когда будете смотреть на ночное небо, представьте, что звезды – это деревья, а чернота между ними – просветы, показывающие, что лес либо настолько маленький, что вы видите сквозь него, либо настолько молодой, что еще не стал густым.
Мало того что ночное небо темное, оно еще и выглядит практически одинаково, куда бы вы ни посмотрели. На конференции, которую я посетил в 1996 г., астрономы показали плакат с самой поразительной демонстрацией однородности, которую я когда-либо видел. Они направили космический телескоп Hubble на темный участок неба рядом с ковшом Большой Медведицы и оставили его в таком положении на 10 дней, чтобы собрать свет для самого чувствительного изображения из когда-либо сделанных: Hubble Deep Field. Три года спустя они сделали то же самое с почти диаметрально противоположной частью неба, в Южном полушарии. Эти изображения не так эффектны, как некоторые другие снимки, сделанные телескопом, – их красота недооценена. На них видны объекты, находящиеся почти на самом пределе нашего зрения, они настолько тусклые, что телескоп получал от них всего один фотон света в минуту. Тысячи небольших красноватых пятен на изображении – это целые галактики, включая такие, которые сформировались самыми первыми. Северные и южные изображения с точки зрения статистики выглядят одинаково, из чего следует парадокс, который профессор Мэрилендского университета Чарльз Мизнер впервые заметил в 1969 г.
Мизнер, современник Хокинга, — это еще один из тех физиков, которые произвели революцию в исследованиях черных дыр и Вселенной в целом в 1960–1970-х гг. Как и большинство студентов, изучавших физику, я сначала узнал его имя как М в MTW[8], общеизвестном сокращении фамилий авторов учебника по теории гравитации «Гравитация» (Gravitation): с его виньетками и размышлениями, это один из немногих учебников, которые действительно весело читать. Детским увлечением Мизнера, как и Гальвеза, была не физика, а химия. Он помнит, как мать ругала его за дырки, прожженные в одежде реактивами из набора юного химика. В ответ он поставил эксперимент — капал кислоту на различные виды ткани, чтобы посмотреть, как они себя поведут. Вряд ли его матери это пришлось по вкусу, но друг семьи, услышав об интересах мальчика, нанял его, чтобы тот нашел способ более эффективной выдержки бетона. В результате была разработана добавка, замедляющая испарение воды.
Мизнер поступил в колледж со специализацией по химии, но неожиданно удовольствие от предмета улетучилось. «Лабораторные работы были ужасны, — вспоминает он. — Нужно было просто следовать инструкциям, как в поваренной книге». Поэтому он переключился на физику и продолжил учебу в аспирантуре Принстонского университета как раз в то время, когда легендарный профессор Джон Уилер (W в прозвище того же учебника) возвращал к жизни исследования гравитации. Хотя физики не уставали восхищаться теорией гравитации Эйнштейна, немногие на самом деле брались за ее изучение, полагая, что все по-настоящему интересное происходило в квантовой физике. Уилер осознал, что гравитация — самая созидательная из сил природы. Геоны, пространственно-временная пена, кротовые норы, черные дыры — не нужно даже знать смысл этих терминов, чтобы понять, что Уилер говорил о чем-то большем, чем яблоки, падающие на головы людей. «У него была геометрическая и физическая интуиция, и у него был азарт, ему казалось, что за уравнениями может стоять больше, чем думали другие, — говорит Мизнер. — И он был прав».
Однородность ночного неба не была внесена в список загадок до того, как в 1960-х гг. случилось два прорыва в наблюдениях. Сначала астрономы обнаружили квазары: точки света, которые на первый взгляд похожи на звезды, но таких цветов, какие ни у одной звезды никогда не наблюдались. Их осенило — квазары выглядят настолько яркими потому, что Вселенная расширяется, растягивая световые волны как логотип на футболке из спандекса, превращая синий в красный. Свет квазаров настолько красный, что должен был путешествовать миллиарды лет, прежде чем достичь нас, а это делало квазары на тот момент самыми древними объектами, которые когда-либо видели люди. В 1966 г. Мизнер получил годовую стипендию в Кембридже, где астрономы, как он вспоминает, отмечали мелом положение квазаров на доске сферической формы. Мизнер заметил, что на одной стороне меток больше, чем на другой, как будто древняя Вселенная была неравномерной. Асимметрия оказалась случайностью, но это заставило его задуматься о том, почему небо должно или не должно выглядеть одинаково во всех направлениях. Второе открытие обострило этот вопрос: это было космическое микроволновое фоновое излучение.
Радиоастрономы сначала заметили это излучение как слабое, но постоянное шипение в своих приемниках. Они очистили антенну от голубиного помета, однако шипение не исчезло — везде, куда бы они ни направили антенну, было это шипение, заполняющее небо, не оставляющее пустых мест. Ученые быстро осознали, что подобное шипение является формой света, длина волны которого увеличилась, и свет из синей части спектра перешел в красную, затем в инфракрасную и в микроволновую — это еще более существенное преобразование, чем то, которому подвергся свет от квазаров, что делает его источник еще более древним: по текущим оценкам, ему 13,8 млрд лет. Космическое микроволновое фоновое излучение дает нам возможность взглянуть на Вселенную в те времена, и она похожа на ванильное мороженое с молоком во время метели: первичный бульон почти без особенностей и состоящий почти из чистого водорода. Газ был распределен еще более однородно, чем галактики и квазары, которые появились позже.
Одинаковый вид требует наличия общей причины. Если двое ваших друзей появятся однажды в совершенно одинаковой одежде, вы можете относиться к этому как к чистой случайности, но если много других людей одеты похожим образом, значит, есть какая-то связь: дресс-код, массовая рассылка по электронной почте, распродажа в местном магазине Gap. Люди склонны одеваться разнообразно, поэтому случайные совпадения маловероятны. Аналогичным образом вещество в ранней Вселенной могло распределяться такими разными путями, что обретение им одинаковой плотности и одинаковой температуры во всех точках было маловероятным — поразительно маловероятным. Тем не менее это произошло.
Чем можно объяснить такую однородность? Если на то пошло, тяготение должно было заставить вещество сгущаться, делая его менее однородным. Космологи размышляли о других процессах, но столкнулись с фундаментальной проблемой. Две галактики или два крупных скопления газа в противоположных концах нашего неба, на самом краю наблюдаемой части Вселенной, находятся слишком далеко друг от друга, чтобы какой-либо процесс, происходящий в пространстве, мог уравнять их свойства. В конце концов именно это и означает находиться на самом краю доступной для наблюдения части Вселенной: свет от каждой галактики только теперь достигает нас после одиссеи длительностью в миллиарды лет. У него еще не было времени, чтобы добраться до второй галактики.
Космологи проводят аналогию с горизонтом на Земле. Если вы стоите на спасательном плоту посреди океана, то из-за кривизны нашей планеты можете видеть вдаль примерно на пять километров. Если к вам приближаются два корабля — один с севера, другой с юга, — сначала вы видите верхушки их мачт, и по мере того, как они становятся ближе, их корпуса медленно поднимаются над вашим горизонтом. Что касается моряков на кораблях, то сначала они видят вашу макушку, а затем постепенно и остальные части фигуры. Но в момент, когда они впервые вас замечают, моряки на одном корабле не могут видеть другой корабль: когда вы находитесь прямо на их горизонте, другой корабль все еще находится за ним. Мы похожи на этого потерпевшего кораблекрушение человека, а две диаметрально противоположные галактики похожи на тех моряков. Мы видим галактики, которые даже не видят друг друга, не говоря уже об обмене энергией или веществом, который мог бы сделать их внешний вид одинаковым. Фоновое излучение должно быть скорее пестрым лоскутным одеялом, а не равномерным свечением. «Чрезвычайно трудно объяснить, почему небо не испещрено пятнами… — говорит Мизнер. — Наблюдения показали согласованность у объектов, у которых никогда не было физической возможности взаимодействовать друг с другом».
В этой ситуации опять чувствуется определенное дежавю. Отдаленные части Вселенной согласовали свои свойства, явно нарушив предел скорости, установленный светом. Это выглядит так же жутко, как то, что Гальвез видит в своей лаборатории, за исключением того, что теперь мы говорим о целых галактиках, а не о маленьких частицах. В 1970 г. российский теоретик Яков Зельдовичосмелился предположить, что некий тип квантовой нелокальности мог бы объяснить однородность космоса. Однако в целом космологи отказывались заходить так далеко. Большинство восприняло эту загадку как провал теории гравитации Эйнштейна и полагало, что разгадка появится не раньше, чем произойдет объединение физики. Другими словами, Мизнер говорит: «Никто не думал, что уравнениям Эйнштейна можно было доверять в таких экстремальных случаях».
В конце 1970-х гг. русские и американские физики додумались, как решить проблему горизонта, не отказываясь ни от локальности, ни от теории Эйнштейна. Идея состоит в том, что эти две галактики на противоположных сторонах нашего неба (или на самом деле их предшественники) фактически когда-то находились рядом, но их оттащило друг от друга, когда Вселенная переживала свой ранний скачок роста. Таким образом, некий процесс мог бы сделать их похожими. Как близнецы, разлученные при рождении и выросшие, даже не зная о существовании друг друга, галактики когда-то ютились рядом, но развивались независимо друг от друга и только теперь снова воссоединяются.
Чтобы это объяснение имело смысл, скачок роста должен был растаскивать галактики со скоростью, превышающей скорость света, так, чтобы они потеряли контакт друг с другом до настоящего момента. Обычно слова «со скоростью, превышающей скорость света» звучат для физиков как скрип ногтей по меловой доске. Но рост космоса обходит обычные ограничения на скорость перемещения, потому что ни о каком перемещении речи не идет. Скорее это новое пространство образуется в промежутках между галактиками, почти как животное или растение развивается, создавая новые клетки. Поскольку галактики фактически не перемещаются в пространстве, ограничение скорости к ним не относится. «Если вы смотрите на две галактики, они остаются на месте, но расстояние между ними меняется, — объясняет Мизнер. — Если считать это относительной скоростью, то в ранний период относительная скорость двух скоплений вещества сильно превышала скорость света. Таким образом, они не могли видеть друг друга». Это не единственная ситуация, в которой можно превысить максимальную скорость за счет роста вместо перемещения. Предположим, вы находитесь на большой танцевальной вечеринке, и все начинают выстраиваться в линию для танца конга. Если несколько десятков человек будут присоединяться к ней каждую секунду, то концы линии могут удаляться друг от друга со скоростью больше 90 км/ч, хотя ни один человек не способен перемещаться так быстро.
Расстояние между галактиками может увеличиваться со скоростью больше, чем скорость света, даже тогда, когда Вселенная расширяется в обычном темпе. Однако в таком случае скорость расширения со временем снижается, и галактики в конце концов снова могут контактировать. Скачок роста необходим, чтобы галактики могли родиться вместе, а затем потерять контакт.
Большинство космологов считают эту концепцию, известную под названием «инфляция», столь изящной и убедительной, что обычно преподносят ее так, будто это установленный факт. В 2014 г. команда наблюдателей объявила, что они обнаружили верные признаки следов инфляции в микроволновом излучении[9]: возмущения, связанные с механизмом скачка роста. Комментаторы были осторожны и использовали стандартные оговорки («если это правда»), но явно сочли этот результат реальным — они так долго ожидали его. Тем не менее открытие обернулось пшиком несколько месяцев спустя, вновь разжигая сомнения, которые высказывали даже некоторые из авторов теории инфляции. Основное беспокойство вызывает то, что инфляционная теория предполагает наличие того самого условия, которое она должна порождать: чтобы Вселенная начала расширяться, она уже должна была быть неестественно однородной. Поэтому некоторые физики искали альтернативы инфляции, среди которых была не только видимость нелокальности, но и настоящая нелокальность.
Один из скептиков инфляции — это Фотини Маркопоулоу. Я познакомился с ней на конференции в честь Уилера, где она поделила первое место в конкурсе подающих надежды физиков. Меня поразило ее мнение о том, что физические теории должны исходить из того, что мы — часть Вселенной, а не сторонние наблюдатели. «Меня реально интересует одно — это идея о том, что вы находитесь внутри Вселенной, которую пытаетесь понять, и можете понять ее, — говорит она мне. — Есть любопытная взаимосвязь между тем, что вы находитесь внутри системы, которую пытаетесь изучить, и тем, что вы способны делать вид, что это не так. В каком-то смысле к этому и сводится наука». Все области науки чувствуют это противоречие между взглядом изнутри и извне, но хуже всего оно в космологии, единственной сфере науки, изучающей систему, у которой вообще нет внешней стороны.
Маркопоулоу говорит, что глобальная картина мира увлекала ее с ранних лет. «Ребенком я любила заходить в церковь, когда там было пусто, садиться и просто смотреть в потолок, — вспоминает она. — В греческих православных церквях он, в сущности, похож на планетарий. Там на потолке картины на тему космологии. Именно это всегда казалось мне захватывающим. Есть что-то поразительное в том, что человек пытается представить целостную картину того, чему он сам принадлежит». Было бы легко напрямую связать ее детское изумление с карьерой физика, но Маркопоулоу против такого удобного изложения событий. Кроме этого она любила искусство — ее родители были скульпторами, — а также археологию и архитектуру. Она не знала, какую специализацию указать в заявлении о приеме в колледж. Когда директор ее средней школы предложил теоретическую физику, Маркопоулоу указала теоретическую физику. В колледже один из друзей восторженно отзывался о курсе лекций по квантовой механике, и оказалось, что это как раз по пути домой, так что она зашла послушать. «Я не читала книг об Эйнштейне и решила продолжить с того места, на котором Эйнштейн остановился, — говорит она. — В итоге на разных этапах, когда приходилось определяться, куда пойти, я выбирала теоретическую физику».
Похожим образом она не сразу выбрала свой предмет: объединение квантовой теории и теории гравитации с целью создания квантовой теории гравитации. Вместо этого, будучи студенткой и в первый год аспирантуры, Маркопоулоу изучала физику элементарных частиц. Однако курсовая работа оставила у нее чувство неудовлетворенности. «Странно, когда в программе подготовки физиков изучению квантовой теории уделяется недостаточно внимания», — вспоминает она. Ее однокурсники и преподаватели отвергали объединение как несбыточную мечту, да и ей самой поначалу тоже так казалось. Через некоторое время, впрочем, она стала думать, что мечтать — это нормально. Хотя ответы на загадки космоса могли быть недосягаемыми для физиков, по крайней мере исследователи квантовой гравитации стремились найти их. «Когда вы задаете интересные вопросы вроде “Почемуэто так?”… всегда кажется, что на самом деле не следовало их задавать, — говорит Маркопоулоу. — Люди, которые работали над этими интересными вопросами, занимались квантовой гравитацией». В конце концов соблазн стал слишком велик, чтобы сопротивляться. Если Гиддингс стремился объединить физику через теорию струн, то Маркопоулоу примкнула к сообществу физиков, которые применяют альтернативные подходы, чтобы примирить гравитацию с квантовой теорией. В отличие от струнных теоретиков, эта группа не стремится объединить строго всю физику, с ее огромным разнообразием частиц и взаимодействий, а концентрируется на гравитации.
Маркопоулоу сделала имя на том, что изучила, подчиняются ли различные предлагаемые квантовые теории гравитации принципу локальности, и показала, что большинство из них ему не подчиняется. Принято считать, что такие аномалии должны быть заметны только на очень малых масштабах, даже меньших, чем атом, но Маркопоулоу сомневается, что нечто столь глубокое может быть ограничено такими узкими рамками. «С самого начала, когда я занялась квантовой гравитацией, интуиция подсказывала мне, что, возможно, квантовая гравитация на самом деле проявляет себя на больших масштабах, поскольку меняется нечто фундаментальное», — говорит она. Маркопоулоу подозревает, что согласованность развития удаленных галактик может быть таким проявлением. Единообразие космоса может быть третьим типом нелокальности, очень явным. Несколько струнных теоретиков думают примерно так же. «Проблема горизонта — это нелокальность, находящаяся прямо у нас под носом», — говорит Маркопоулоу.
Частицы в подвале
В случаях нелокальности, о которых я говорил до сих пор, пространство не справлялось со своей самой базовой функцией — отделять предметы друг от друга, оставлять место между ними. Запутанные частицы координируют свое поведение, не обмениваясь сигналами в пространстве. Вещество попадает в черную дыру и умудряется выбраться обратно из пропасти в пространстве. Галактики, разделенные непреодолимой бездной пространства, выглядят сходным образом. Эти явления создают по меньшей мере впечатление нелокальности. Но в качестве четвертого, и заключительного, примера я хотел бы поменять вещи местами и рассмотреть явление, которое создает впечатление локальности, но может в конечном счете оказаться нелокальным.
Физики обычно считают, что мир состоит из частиц: электронов, протонов и всех остальных субатомных физических созданий. Частицы — само воплощение локальности. Эти небольшие песчинки материи существуют в определенных местах. Они взаимодействуют друг с другом, только соударяясь или испуская частицу-посредника, которая перемещается между ними. Квантовая запутанность может заставить частицы быть нелокально согласованными, но она не меняет основную картину. И все же понятие локализованных частиц оказывается неуклюжим и даже противоречит само себе.
Если вы думаете, что частицы являются далеким и абстрактным понятием, то их поразительно легко можно увидеть своими глазами. Однажды вечером я спустился к себе в подвал с пластиковым стаканом, формочкой для кекса из фольги, бутылкой медицинского спирта и одним из тех аэрозольных баллончиков, которыми пользуются, чтобы удалить крошки с клавиатуры компьютера. Вдохновленный простотой экспериментов, которые я наблюдал у Гальвеза, и слишком большим количеством просмотренных серий «Секретного агента Макгайвера»[10], я решил создать из этих предметов домашнего обихода детектор частиц. Если распылять аэрозоль из баллончика больше одной-двух секунд, он может стать очень холодным — достаточно холодным, чтобы заставить пары алкоголя, находящиеся под перевернутой формочкой для кекса, конденсироваться вдоль траектории заряженных частиц, создавая что-то вроде крошечного инверсионного следа самолета.
Я работал над этой неуклюжей конструкцией в течение нескольких недель, безуспешно пробуя различные схемы, и в конечном счете объединив несколько идей, создал устройство проще некуда. Именно это и есть наука: часы, проведенные в расстройстве, перемежающиеся мгновениями восторга. Когда мой небольшой прибор наконец заработал, я увидел, как короткие белые полоски выдавали присутствие заблудших субатомных частиц, проносящихся через мой дом. Иногда их следы резко изгибались, что, возможно, указывало на столкновение двух частиц. Моя жена была счастлива, что я не разобрал стиральную машину.
Пластиковый стакан для коктейлей был миниатюрной версией гигантских детекторов частиц на Большом адронном коллайдере (БАК). Я побывал там летом 2007 г., когда строительство установки было близко к завершению. Я проехал на лифте 40 этажей вниз и вошел в подземный зал, достаточно большой, чтобы вместить целый собор. Он был напичкан оборудованием. Что внушало благоговейный страх больше всего, так это не размер аппарата, а огромное число кабелей для передачи данных. Приблизительно 2900 км этих проводков текли через зал, как миллионы притоков могучей реки. Прямо в центре проходит металлическая трубка, которая по ширине едва вмещает пару пальцев. Когда коллайдер работает, потоки протонов проносятся через нее, как велосипедисты в пелотоне. Некоторые из них сталкиваются, разбрасывая обломки по всему подземному залу.
C конца 1940-х гг. физики изображали столкновения частиц в виде контурных рисунков, называемых диаграммами Фейнмана в честь их изобретателя, лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана. Его метод чрезвычайно действенен и точен. Но еще и безжалостно труден. Диаграммы выглядят просто, но они всего лишь маскируют математическую позиционную войну. Цви Берн, преподаватель физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который специализируется на этих вычислениях, говорит, что он поступил в аспирантуру, очарованный элегантностью метода Фейнмана, но вскоре опробовал его на собственной шкуре. «Я хорошо помню тот раз, когда впервые получил домашнее задание по курсу физики элементарных частиц, — говорит он. — Меня поразило, что кто-то действительно мог делать вычисления по диаграммам Фейнмана, не совершая ошибок. Это задание было не таким уж сложным по сравнению с тем, что вычисляют профессионалы, но после 20 страниц алгебраических выкладок я совершенно не понимал, как профессионалы делают это, не ошибаясь».
Эти вычисления вызывают тоску по двум причинам. Во-первых, при столкновении частиц огромно разнообразие потенциальных исходов. Например, столкновение двух глюонов — составных частей протонов, циркулирующих в БАК, — может привести к рождению какого угодно числа глюонов, от двух до бесконечности. Во-вторых, каждое из этих потенциальных конечных состояний может быть получено путем огромного разнообразия возможных промежуточных стадий. Например, два сталкивающихся глюона могут породить четыре глюона 220 различными способами, даже если не считать те обходные пути, которые они могли бы выбрать в процессе. Уравнения, которые получаются в итоге, содержат десятки тысяч алгебраических членов. И это еще простой случай. Пожалейте тех, кто рассматривает случай с восемью глюонами в конечном состоянии, поскольку они должны учесть 10 млн возможных промежуточных шагов. Даже компьютеры быстро доходят до предела своих возможностей.
Никто не идет в физику элементарных частиц, надеясь, что это будет легко. Наоборот, многих студентов этот предмет привлекает именно своей сложностью. Но если вы проходите через все это, то рассчитываете обнаружить нечто, окупающее ваши усилия. Но оно не обнаруживается. Эти десятки тысяч слагаемых в конечном счете сокращаются всего до четырех. Остальные взаимно уничтожаются. Слагаемое номер 2718 может, при ближайшем рассмотрении, оказаться таким же, как слагаемое номер 3142, но со знаком «минус» перед ним, поэтому они оба сокращаются. К сожалению, нельзя сказать заранее, какие слагаемые сократятся, так что нужно выписывать их все. Процедура кажется извращенно бессмысленной, немногим лучше исписывания доски в качестве наказания после уроков в школе. Несоответствие между трудностью вычислений и простотой ответа свидетельствует о том, что физики что-то упускают, как капитан полиции, который задерживает простых подозреваемых и не замечает парня с пистолетом в руке.
Одногруппники Берна выбросили из головы это адское домашнее задание, но он так и не смирился с ним. Он полагал, что должен существовать более удобный способ выполнения этих вычислений, и с головой погрузился в его поиски. Это было не самое умное решение в карьерном плане. Большинство физиков считали подобные вычисления работой подмастерья: полезной, но не требующей воображения. Потенциальные работодатели не посещали доклады Берна; один журнал отклонил его первую статью на эту тему как «не очень интересную». Прорыв произошел, когда Берн сделал доклад в Принстоне, и Виттен, известный струнный теоретик, благодаря которому Гиддингс передумал уходить из физики, подошел к нему после доклада, чтобы похвалить. После такого знака внимания Берн наконец получил работу. По его словам, такой опыт освобождает от юношеских романтических представлений о науке. «Наука делается не так, как я думал, — говорит он. — Я открыл, что в науке удача должна быть на вашей стороне».
Благодаря усилиям Берна и его коллег физикам больше не нужно выписывать те десять с лишним тысяч алгебраических членов, а можно сразу перейти к конечным четырем. Но почему старые методы были настолько неудачны и почему эти новые методы работают так хорошо? Другой теоретик, Нима Аркани-Хамед в Институте перспективных исследований в Принстоне, видит причину в нелокальности. Физики-теоретики известны силой характера, но Аркани-Хамед — это стихия. Он родился в Хьюстоне в 1972 г. Несколько лет спустя его отец, видный иранский геофизик, перевез семейство обратно в Тегеран, чтобы помочь в строительстве новой страны после падения шаха. Идеализм семейства быстро рассеялся. Они слишком часто критиковали аятолл, начали скрываться, чтобы избежать ареста и вероятной расправы, и спаслись бегством через турецкую границу верхом на лошадях.
Многие физики говорят, что они «взволнованы» тем или иным открытием. Но говорят это так безэмоционально, что нельзя не удивляться: если они ведут себя так, когда взволнованны, насколько ужасно должно быть, когда им скучно. Аркани-Хамед, напротив, говорит о самых простых вещах с таким воодушевлением, что кажется, он только что открыл потерянный ковчег Завета. Однажды он заставил меня восхищаться тем, что строка «1, 2, 3» может быть переписана как «3, 1, 2» или «2, 3, 1», демонстрируя, как много в физике сводится к тщательному подсчету возможных перестановок. Я помню, как стоял рядом с ним в перерыве конференции с чашкой кофе (похоже, всегда в его присутствии пьют много кофе), когда разговор превратился в стремительный внутренний диалог, в котором Аркани-Хамед давал сам себе ответы, в то время как остальные все еще пытались понять вопросы: «Я сделал это, я попробовал то, но это не сработало, но — о, погодите, возможно дело в том, — значит, мм, интересно, следует ли мне…»
«Физика никогда в жизни не внушала мне большего энтузиазма, — выпалил он, когда я впервые поинтересовался новыми методами вычисления. — Происходит что-то действительно захватывающее, я думаю, это могло бы в конечном счете изменить наши представления как о пространстве-времени, так и о квантовой механике… Все это стремительно развивается прямо сейчас благодаря группе порядка 15 человек во всем мире, работающих над этим день и ночь». В 2013 г. их усилия увенчались созданием полноценной альтернативы диаграммам Фейнмана.
Аркани-Хамед считает, что проблема диаграмм Фейнмана в их нарочитой локальности. Они изображают частицы взаимодействующими друг с другом в определенных положениях в пространстве и времени. Диаграммы выглядят обнадеживающе похожими на следы частиц, которые они оставляют в детекторе вроде пластикового стакана у меня в подвале. Именно поэтому физиков и привлек подход Фейнмана. И все же трясина вычислений создает этому свойству диаграмм дурную славу. Локальность напрямую ответственна за появление огромного количества алгебраических членов в расчетах. «Раз вы настаиваете на том, что теория локальна, — говорит Аркани-Хамед, — то в наказание получаете десяток тысяч слагаемых». Считая каждую точку пространства строго независимой от всех остальных, метод Фейнмана преувеличивает сложность мира. Большая часть того, что появляется на диаграммах, не существует в реальном мире, например «виртуальные» частицы и «духовые» поля. Теоретикам приходится вводить специальные правила, чтобы убедиться, что эти незваные гости не останутся на десерт.
Вместо того чтобы считать локальность отправной точкой, Аркани-Хамед, Берн и их коллеги предполагают, что частицы удовлетворяют определенным законам симметрии, и в результате уравнения получаются намного более простыми. Частицы все равно подчиняются принципу локальности, единственная разница в том, что эта теория получает локальность из более глубоких соображений, вместо того чтобы требовать ее в качестве предварительного условия. Такой подход сочетает скромность с великим замыслом. Эти теоретики не намеревались создавать новую теорию частиц, а просто хотели оптимизировать уже существующую. Их уравнения не предсказывают ничего экзотического, а только облегчают описание того, что мы уже знали.
Исторически такие переформулировки были чрезвычайно существенными. Это обнажает один замечательный факт о теориях в физике. Они не являются фиксированными структурами, а обладают своего рода неизъяснимым бытием за рамками любого конкретного набора уравнений, которыми физики пользуются для их описания, подобно истории, допускающей пересказы с весьма различными обстоятельствами и персонажами, но все равно безошибочно узнаваемой, или музыкальному произведению, которое можно аранжировать по-новому, подчеркнув незамеченные прежде особенности или, наоборот, лишив несущественной мишуры. Пожалуй, самый знаменательный случай такой переформулировки произошел, когда Николай Коперник поместил Солнце, а не Землю в центр Вселенной. В то время его модель была не более чем математической переформулировкой старой геоцентрической системы, и астрономы приняли ее в качестве упрощенного способа составления календарей и схем движения планет. Однако новое представление о космосе вызвало вопросы, которые были бессмысленны при старом. Что заставляет брошенные предметы падать? Орбиты планет должны быть круговыми или они могут быть продолговатыми? Может ли космос быть бесконечным? Работа Коперника, возможно, не была революционной, но она побуждала к революции.
Как видите, лень приносит свою пользу. Люди, которые пытаются уменьшить объем работы, являются движущей силой нововведений. Аркани-Хамед надеется, что заново сформулированная теория частиц вернет к жизни поиск объединенной теории физики. Как только вы перестаете предполагать, что мир вращается вокруг локальности, все начинает вставать на свои места.
Какой принцип должен заменить локальность? Если мир в действительности не состоит из локализованных частиц, то из чего он все-таки состоит? Пока никто не знает. Но теперь у физиков есть направление дальнейшей работы. Если Эйнштейн опасался, что нелокальность приведет к коллапсу современной физики, то Аркани-Хамед считает, что она знаменует ее возрождение. «В детстве именно это и представляешь, когда думаешь о том, что значит заниматься теоретической физикой», — говорит человек, который на самом деле так и остался ребенком.
Как мы видим, нелокальность вылезает повсюду: в экспериментах в квантовой области, в парадоксах черных дыр, в крупномасштабной структуре Вселенной, в водовороте столкновений частиц. Во всех этих примерах физика заходит в сумеречную зону. Объекты могут обгонять свет; причина и следствие могут меняться местами; расстояние может терять свой смысл; два объекта могут на самом деле быть одним. Вселенная становится пугающей.
Хотя эти виды нелокальности появляются в разных контекстах, они обладают удивительной схожестью, которая подсказывает, что физики ощупывают разные части одного и того же слона. Аркани-Хамед, например, считает, что тот тип нелокальности, который появляется в его теории, может включать в себя квантовую запутанность. «Нельзя исключать того, что должное понимание этих вещей приведет к новому толкованию квантовой механики, а не только пространства-времени, — говорит он мне. — Не исключено, что в этом новом видении может быть какое-то новое представление о смысле запутанности». Это работает и в обратную сторону. Гиддингс и другие ученые думают, что квантовая запутанность может быть тем клеем, который скрепляет пространство. Связи между запутанными частицами даже могут создавать что-то вроде тайных туннелей между пространством внутри черной дыры и пространством вне ее. В следующих главах мы рассмотрим эти завораживающие идеи.
«Сорванная крыша» — профессиональное заболевание в физике. Это профессия, где цель — смотреть за декорации и видеть мир, который проще, чем кажется, и очень далек от нашего повседневного опыта. Впрочем, физики и философы сталкиваются с такими загадками не впервые. Во многом история локальности — это история физики в целом.
2. Истоки нелокальности
Что же такого особенного в нелокальности? Почему ученые не могут отправить нелокальность на ту же свалку, где лежат флогистон, вихревая модель атома и другие красивые гипотезы, убитые прозой жизни? Почему нелокальность побуждает к таким мелодраматическим выпадам, как «конец рациональности физики», «несовместимо с самой возможностью научной деятельности», «чепуха»? Понятно, что нарушение локальности — это не то, что постоянно встречается в водовороте идей, не то, от чего можно отшутиться за пивом после работы. Чтобы понять, почему это так, нужно погрузиться в историю физики, поскольку нелокальность угрожает самой сути того, что мы понимаем под физикой.
Физика не похожа на другие науки. Если вы попросите геологов, биологов или астрономов дать определение своему предмету, они могут показать на скалы, ползучих тварей или мерцание в ночном небе. Физики же начинают показывать на все вокруг; они неразборчивы. С равным успехом их можно увидеть за изучением способов укладки белков в биологии, колебаний финансовых рынков и столкновений крошечных частиц. Их дисциплина больше определяется целями, чем предметом изучения. На чем бы они ни сосредотачивались, физики ищут простоту в сложности и единство в многообразии. Как и философами, их интеллектуальными собратьями, ими движет убежденность в том, что Вселенная подвластна человеческому пониманию и что, если смотреть дальше ее разнообразия и запутанности, можно обнаружить понятные правила.
Опять же, как и философы, физики обращаются к истории за подсказками, каковы должны быть эти правила и, как следствие, их дисциплина. Физики обладают репутацией самых дальновидных ученых, настолько опережающих технологическую кривую, что это они создают эту кривую. Физики могут законно считать своей заслугой почти каждый имеющийся у нас гаджет. И все же, мне кажется, они смотрят в прошлое не меньше, чем в будущее. Для них обычное дело — сослаться на разработки, сделанные столетия назад, или углубиться в чтение биографии какой-нибудь знаменитости в предположении, что нельзя продвинуться вперед, пока не узнаешь, как ты попал туда, где находишься сейчас.
И действительно, общие стандарты простоты и понятности оставались для физиков удивительно постоянными на протяжении веков. Их интеллектуальные предшественники в Древней Греции стремились описать Вселенную как гигантскую игру в бильярд. Шары — базовые элементы мира — летают повсюду, соударяются друг с другом и отскакивают в бесконечной цепной реакции. Эти взаимодействия строго локальны: до касания шары не воздействуют друг на друга. Хотя по отдельности они просты, шары и их соударения настолько многочисленны, что порождают богатое разнообразие и сложность мира. В какой-то мере авторы такого описания не имели права ожидать, что оно отразит хоть какую-то часть реальности. В течение последующих тысячелетий описание полностью поменялось в деталях, но его основные принципы сохранились. В особенности принцип локальности.
Несомненно, даже древние греки были хорошо знакомы с исключениями из этого принципа. Они еще не знали ни квантовых частиц, ни черных дыр, но им было известно о других эффектах, которые казались нелокальными, в частности те явления, которые мы теперь связываем с гравитацией. Но древние не придавали исключениям большого значения. Большинство из них полагали, что примеры видимой нелокальности были просто ложным впечатлением, и ждали, пока какой-нибудь умный человек объяснит их локально происходящими процессами. Отказ от локальности был бы эквивалентен отказу от физики.
Озадачивает, однако, то, что Исаак Ньютон поступил именно так. Чтобы объяснить гравитационные явления, он отказался от физики, по крайней мере от того, что было физикой в то время. Благодаря этому его помнят как самую великую фигуру Революции в науке, интеллектуальной закваски XVII в., из которой появилась наука в том виде, в каком мы знаем ее сегодня. И реакция, которую первоначально вызвала теория гравитации Ньютона, поразительным образом похожа на то беспокойство, которое выказывают в связи с нелокальностью.
Франс ван Люнтерен, историк науки из Лейденской обсерватории в Голландии, которая является одним из самых легендарных научных учреждений в Европе, вспоминает, насколько он был встревожен, когда узнал о законе тяготения Ньютона. Школьный учитель объяснил, что яблоки падают и планеты держатся около Солнца, потому что все во Вселенной притягивает все остальное. По представлению Ньютона, эта сила действует на расстоянии мгновенно. Поднимите палец на Земле, и все далекие планеты во Вселенной немедленно вздрогнут (слегка). Сила притяжения перескакивает от Земли к яблоку и от пальца к планетам, минуя пространство между ними.
Именно это показалось ван Люнтерену очень странным, когда он был подростком. «Мне было трудно понять, как глыба грубой материи — скажем, скала — могла влиять на какую-то другую материю в глубине космоса, особенно когда пространство в промежутке между ними пустое», — говорит он. Но ван Люнтерен решил, что если он не понял этого, то по причине собственного недомыслия. «Для меня было вполне привычно упускать суть чего-нибудь», — признается он. Только повзрослев, он узнал, что эта странная особенность силы гравитации известна под названием «нелокальность».
В то время ван Люнтерен не интересовался историей. Он бросил ее, чтобы сосредоточиться на математике и физике. Но в колледже уроки физики его разочаровали. Они состояли из сплошных уравнений, на них не было места рассказу о том, что именно означали все эти x и y на самом деле. «Большинство преподавателей начинали с дифференциального уравнения в верхней левой части доски и затем выводили из него поперечное сечение или какую-нибудь другую измеримую величину в правой нижней части доски, не желая рассказывать о физике ничего интересного», — вспоминает он. Ван Люнтерен стал прогуливать занятия, вместо них он читал французские и русские романы, подрабатывал, путешествовал автостопом в Стамбул. В своих интеллектуальных исканиях он узнал о странных квантовых явлениях, которые так беспокоили Эйнштейна. Когда ван Люнтерен вновь почувствовал тягу к студенческой жизни, оказалось, что его привлекает история. Он увидел в ней способ изучения глубоких интеллектуальных вопросов, которые игнорировались его преподавателями физики. Как и философ Тим Модлин, ван Люнтерен понял: чтобы любить физику, ему нужно ее оставить.
В поисках темы для докторской диссертации он вернулся к нелокальности ньютоновской силы тяготения, которая привела его в замешательство в подростковом возрасте. Ван Люнтерен обнаружил, что не случайно был озадачен — те, кто слепо принял теорию, упустили суть. Нелокальность не давала покоя самому Ньютону, как, впрочем, и его коллегам. Она казалась псевдонаучной, вроде астрологии или чудодейственных лекарств. Один французский математик жаловался: «Мы снова ввергнуты в древнюю тьму». Ван Люнтерен говорит: «Мне бы помогло, если бы наш школьный учитель добавил, что многие великие современники Ньютона сочли эту идею трудно перевариваемой и даже непостижимой». Так что свою диссертацию он посвятил тому, как ученые пытались оправдать ньютоновское дальнодействие.
В конечном итоге ученые не были ввергнуты во тьму. Они переключились. Поколение, выросшее с ньютоновской гравитацией, считало эту теорию абсолютно естественной. В течение многих тысячелетий естествоиспытатели отмахивались от нелокальности, а в XVIII в. они приняли ее. Проще говоря, они были за локальность до того момента, когда стали против нее. И как только ученые привыкли к ньютоновской нелокальности, произошел еще один поворот на 180 градусов — новое поколение вернулось к мысли о том, что мир должен быть (просто обязан быть) локальным, тем самым поставив нас в затруднительное положение.
Механистическая Вселенная
Эти исторические перипетии начались с одной из самых известных встреч в истории западной мысли, с события, которое было бы здорово увидеть своими глазами, вернувшись в прошлое, имей мы машину времени. Согласно рассказу Платона, в 451 или 450 г. до н.э. Парменид, ведущий философ того времени, и его самый известный ученик Зенон отправились в Афины из своего родного города Элея в южной Италии. Они остановились в доме выдающегося политического деятеля сразу за городскими стенами. Однажды к ним заглянул не кто иной, как подающий надежды молодой афинский философ Сократ.
Само понятие философии (как в Греции, так и во втором месте ее зарождения, Китае) существовало тогда всего лишь на протяжении жизни нескольких поколений. Это был принципиально новый способ понимания того, что происходит в мире. В повседневной жизни, когда мы спрашиваем «почему?», цель обычно заключается в том, чтобы узнать побудительные причины, заставившие человека сделать то, что он сделал. Традиционная мифология распространяла этот образ мышления и на мир природы. Почему произошло землетрясение? Потому что Посейдон рассердился на осквернение его храма. Такие объяснения не проводят различия между локальностью и нелокальностью. Иногда боги действуют нелокально (они могут щелкнуть пальцами и добиться своего), а иногда они действуют локально (отправляют посланника, чтобы вершить свою волю). Для мифологии это незначительная деталь.
Философы были теми, кто считал эти рассказы, завязанные на персонажах, неудовлетворительными. Даже если допустить существование Посейдона, как он мог вызвать землетрясение? Какие правила определяли его возможности? Философов не волновал повод — они хотели знать механизм. Категории локальности и нелокальности приобрели новое значение. Естественно-исторические объяснения, как правило, локальны. По опыту вы знаете, что передвинуть что-то силой воли невозможно — для этого нужно подойти и приложить усилие или отправить кого-то, чтобы он сделал это за вас. Первый философ, которого мы знаем по имени Фалес, предположил, что землетрясения происходят потому, что суша плавает в подземном океане как неустойчивая лодка, иногда покачиваясь туда-сюда. Причина напрямую связана со следствием.
Но локальность вызывала у Парменида тошноту. Он был не так уж уверен в том, что мы можем доверять повседневному опыту, и в том, что можно разделить мир на части и постигать его кусочек за кусочком. Защищая этот тезис перед Сократом в Афинах, Зенон утверждал, что локальные понятия, такие как движение, изменение и индивидуальность, приводят к логическим парадоксам. В истории сохранилось девять таких парадоксов; десятки других, возможно, затерялись в веках. Самым глубоким и оказавшим самое большое влияние был парадокс абсолютной делимости. Если некоторый объект можно разделить на две части, затем на четыре, на восемь и так до бесконечности, то в конечном итоге он будет состоять из геометрических точек, каждая из которых не имеет размера. Когда вы захотите собрать этот предмет обратно, вы столкнетесь с проблемой, поскольку никакое число точек, не имеющих размера, не составит в целом что-то, имеющее размер. Из этого Зенон делал вывод, что действительность на самом деле нельзя разделить на части.
Сократ жаловался, что все это было выше его понимания. Доводы Зенона «отрицают самоочевидную вещь», как писал один греческий философ более позднего периода. Но именно поэтому они вызывали такое сильное беспокойство. Утверждать, что ничто не состоит из более мелких кусочков, казалось безумием, однако рассуждения выглядели основательно. В том доме в Афинах Парменид и Зенон положили начало интеллектуальному кризису. В течение многих десятилетий после этого люди проезжали пол-Греции, чтобы своими ушами услышать споры, которые за этим последовали.
Современные математики считают, что Зенон был в целом прав: что-то теряется, когда вы делите непрерывный объект на бесконечно малые части. Число геометрических точек в континууме неисчислимо — в буквальном смысле неисчислимо. И если вы не можете посчитать их, то не можете и сложить вместе. Наша обычная интуиция, подсказывающая, что целое является суммой своих частей, здесь не работает. У континуума нет никакого присущего ему масштаба; размер набора точек не получается из размера каждой точки, он должен определяться отдельно. «Одно из толкований парадоксов Зенона состоит в том, что в принципе невозможно получить физический масштаб из континуума», — говорит физик-теоретик Фэй Даукер из Имперского колледжа Лондона.
Хотя физики примирились с континуумом, многие все еще считают эту идею нарушающей порядок. Великий физик Ричард Фейнман писал: «Меня беспокоит, что, согласно физическим законам, как мы понимаем их сегодня, компьютеру требуется бесконечное число логических операций для расчета того, что происходит в любой сколь угодно крошечной области пространства за любой сколь угодно крошечный период времени. Как все это может происходить в такой крошечной области пространства? Почему должно требоваться бесконечное количество логических операций для выяснения того, что будет происходить с одним крошечным кусочком пространства/времени?»
Затруднения такого рода заставили многих греческих философов предположить, что материя не бесконечно делима, но состоит из дискретных строительных блоков. Атомисты как в воду глядели. Когда читаешь их записи, которые сохранились до наших дней, кажется, что это учебник физики для первокурсников в стихотворной форме. Педанты могут фыркнуть и сказать, что античные атомы были совсем не похожи на современные, но общая концепция устройства мира, разработанная Демокритоми другими философами в V в. до н.э., была удивительно близка к той, которая сложилась в современной физике. Все, что происходит в природе, утверждали атомисты, получается из формы, движения и пространственного расположения крошечных строительных блоков. Они верили, что все чувства, которыми мы наслаждаемся, — вкус, цвет, запах — порождаются потоками атомов, которые извергаются объектами и сталкиваются с нашими телами. Вид предметов буквально лезет в глаза, горечь пронзает язык.
Понятие пространства придумали атомисты. Они были первыми философами, которые утверждали, что материи необходимо место, чтобы в нем существовать и перемещаться. Один из преемников Демокрита, Лукреций, писал: «Вот почему несомненна наличность пустого пространства:/Без пустоты никуда вещам невозможно бы вовсе/Двигаться было»[11]. Пространство определяет положение, скорость, размер и форму атомов. Оно бесконечно во всех направлениях и заполнено неисчислимым разнообразием миров. Эта космологическая картина, радикальная для своего времени, оказалась решающей в конечном триумфе атомизма.
Если бы атомы были атлетами, а пространство — игровой площадкой, локальность играла бы роль свода правил. Как и современные физики, атомисты различали два аспекта локальности. Во-первых, пространство отделяет атомы друг от друга и обеспечивает каждому из них индивидуальность. Это принцип отделимости, который Эйнштейн считал важнейшим для физики и который квантовая физика, похоже, нарушает. Во-вторых, пространство диктует, как атомы влияют друг на друга. Атомисты полагали, что атомы взаимодействуют только при прямом контакте. Пока атомы не столкнутся, они движутся в пространстве по прямым траекториям, независимо от присутствия друг друга. Это ранняя версия принципа локального действия, который Эйнштейн формализовал в своей теории относительности. Он позволяет объяснять любое событие как результат более ранних событий.
Атомисты не приводили никаких реальных доводов в пользу локальности. Они даже не выдвинули ее как предварительную гипотезу, которую нужно подтверждать в экспериментах, — у них еще не было понятия эмпирической науки. Вместо этого они сочли локальность очевидной истиной, поскольку воздействие тел друг на друга на расстоянии разорвало бы причинно-следственную связь событий. Это сделало бы Вселенную непостижимой.
Атомизм был первой «теорией всего». Несмотря на ряд пробелов, едва ли существовало жизненное, погодное или небесное явление, которому атомисты не придумали бы объяснения. Они были основоположниками механистической картины мира, представления о Вселенной как о часовом механизме. Современные термины, такие как «квантовая механика», отражают это наследие. Безусловно, сам Демокрит не думал о машинах, эта аналогия появилась столетия спустя, когда машины стали более привычным явлением. Когда философы и ученые говорят о механизме, они всего лишь имеют в виду систему взаимосвязанных элементов, а не хитрую конструкцию, собранную с некоторой целью. То, что атомы делают, дает им предназначение, не наоборот. Отдельные атомы безжизненны, безвольны и неодушевленны. Если один из них перемещается, то только потому, что другой атом был этому причиной. Такое отсутствие цели и смысла оттолкнуло большинство современников Демокрита. Платон хотел сжечь его книги. По сей день физика создает у многих людей — даже у физиков — впечатление холодной, абстрактной, бесчеловечной науки.
Возможно, так и есть. Но она также раскрепощает нас. Атомизм вышел за рамки человеческого опыта. Старые мифологические толкования объясняли землетрясения эмоциями: одно сложное явление — другим сложным явлением (да и можно ли считать это объяснением?). Это не более чем перекладывание ответственности. Настоящее объяснение должно разбивать что-то на более простые части и показывать, как они взаимодействуют, чтобы получилось это что-то. Кому захочется вернуться к мыльной опере греческой мифологии, в которой города разрушались и голод обрушивался на земли из-за любовных похождений Зевса? Как отмечал литературный критик Стивен Гринблатт в своей книге «Ренессанс»[12], получившей Пулитцеровскую премию, последователи Демокрита создали полностью атеистическую философию в духе «живи сегодняшним днем», в которой люди сами создают смысл своей жизни. Лукреций писал: «Природа свободной/Сразу тебе предстает, лишенной хозяев надменных,/Собственной волею всё без участья богов создающей».
Самый известный философ античности нашел компромисс между атомистами и их хулителями. Насколько мог видеть Аристотель, мир кишит жизнью, и жизнь имеет смысл, следовательно, логично предположить, что неодушевленные предметы также служат какой-то цели. Яблоко падает в направлении центра Земли, потому именно там оно и должно быть, согласно великому замыслу. Его движение самопроизвольно и не требует внешней причины. Аристотель также вернулся к идее о том, что звездами и планетами управляют одни законы, а яблоками и стрелами — другие. А еще он отверг утверждение атомистов о том, что объекты состоят из неделимых частей. Несмотря на парадоксы Зенона, Аристотель думал, что материя непрерывна, и разработал сложную теорию континуума, которая предвосхитила современную математику. Свойства объектов не могут сводиться к расположению атомов.
Аристотель питал отвращение к пустоте. Объекты, по его замыслу, соединяются друг с другом как кусочки пазла без каких-либо пустот между ними, и положение данного объекта определяется относительно соседних объектов, а не какой-то абстрактной структуры, существующей независимо от материи. Поскольку даже «пустое» пространство уже набито всякой всячиной, свет не может быть потоком атомов, перемещающихся в пространстве от яркого объекта к нашим глазам. Вместо этого Аристотель считал, что свет — это импульс, передающийся через среду. Яркий свет передает энергию среде непосредственно рядом с собой, и волна преобразования распространяется через пространство непрерывным движением, как легкая волна на поверхности пруда. Ни одна частица не перемещается; вместо этого каждый маленький кусочек среды передает импульс следующему — как дети, играющие в игру «испорченный телефон». Современники Аристотеля в Китае также представляли мир в виде непрерывной среды, ци.
Если уж на то пошло, образ мыслей Аристотеля в большей степени соответствовал наблюдениям, чем атомизм. Тем не менее Аристотель не пытался давать определенных предсказаний, которые могли бы подтвердить или опровергнуть его теорию. Как и Демокрит, прежде всего он стремился сделать Вселенную постижимой.
Несмотря на все отличия, теория Аристотеля позаимствовала многие существенные черты атомизма, включая локальность. Мир рассматривался в ней как система объектов, взаимодействующих исключительно при соприкосновении. Чтобы объект отклонился от своего естественного направления движения, что-то должно толкнуть его. Аристотель писал: «Непосредственный фактор изменения положения тела должен либо соприкасаться, либо образовывать непрерывное целое с перемещаемым объектом, согласно нашим наблюдениям, дело всегда обстоит именно так». Так же, как и атомисты, Аристотель пытался разработать теорию пространства. С его точки зрения, наличие положения было определением существования; отсутствие такового — определением небытия. Он писал: «То, что не существует, нигде не находится. Где, например, находится полукоза-полуолень или сфинкс?»
Хотя Аристотель писал, что локальность верна всегда, он приводил несколько исключений. Эти аномалии известны со времен Фалеса, который отметил один из многих странных камней на нашей планете, естественный магнит, и его способность притягивать кусочки железа. В одной из областей в северной Греции, известной как Магнисия, были крупные месторождения этого минерала, благодаря чему появилось название, под которым мы знаем такие материалы сегодня: магниты. Фалес также восхищался янтарем, кусочек которого, если энергично потереть его о ткань, заставляет волосы вставать дыбом. По-гречески янтарь — elektron, отсюда произошло слово «электрический». Китайские ученые обнаружили эти явления примерно в то же самое время, однако они быстрее своих западных коллег нашли магнетизму практическое применение.
Греки не могли объяснить, как магнетит и янтарь влияли на объекты, которых они не касались. Хуже того, это влияние заключалось в притяжении. В мире, где воздействие происходит только при прямом контакте, объекты взаимодействуют только одним способом: они сталкиваются друг с другом и отскакивают, как бильярдные шары. Они отталкивают, не притягивают. Попытка объяснить, как отталкивание переходит в притяжение, поставила философов в тупик. Атомисты думали, что эти вещества испускают пары, которые вытесняют воздух вокруг них, создавая область низкой плотности, в которую устремляется окружающий воздух, увлекая железо или волосы за собой. Аристотель решил эту проблему проверенным временем способом: проигнорировал ее.
Магнетизм и статическое электричество были не единственной головоломкой. Наблюдались также явления, причиной которых в наши дни считается гравитационное притяжение, такие как падение тел, океанские приливы и движение планет по орбитам. Аристотель не видел между ними связи. С его точки зрения, падение — это просто привычка тел, приливы происходят из-за ветров, порождаемых солнечным теплом, а планеты катятся по гигантским вращающимся прозрачным сферам. Атомистысвязывали эти явления воедино и объясняли их структурой Солнечной системы. По их мнению, потоки частиц кружатся в космосе, создавая вихри, в которых скапливаются планеты, как груда листьев, попавших в речной водоворот. Если тело не поспевает за круговым потоком, окружающие частицы подталкивают его внутрь. «Упасть» — значит быть увлеченным в сторону центра вихря. Говоря кратко, тяготение — это не сила притяжения, как потом стали думать ученые; это прямое физическое воздействие, толчок сверху.
Теория Аристотеля имела вес в буквальном смысле: в переводе на английский сохранившиеся до наших дней труды занимают 6000 страниц. Греко-римские ученые и ученые исламского мира основывались на его работах, но бо́льшая их часть была потеряна или забыта на фоне общего угасания европейской интеллектуальной жизни в начале Средних веков. Никаких крупных достижений в понимании локальности не было на протяжении еще двух тысячелетий. Европейские писцы начали заново открывать Аристотеля в XII в., причем окольными путями, через латинские переводы с арабского, и это знание настолько затмевало все известное им, что, должно быть, походило на энциклопедию, забытую на Земле пришельцами из более развитой цивилизации. Они расшифровали и перевели эти 6000 страниц, а потом на протяжении веков анализировали их, критиковали и увязывали с христианскими верованиями — эта деятельность получила название «схоластика». Все, что интересовало Аристотеля, интересовало и их. Аристотель считал, что пространство играет важную роль, поэтому и они думали, что пространство играет важную роль. Аристотель придерживался принципа локальности, поэтому и они придерживались принципа локальности. Они полагали, что даже Бог не мог избежать локальности, хотя этот принцип в его случае был чисто теоретическим: Бог существовал всюду, следовательно, он автоматически был в прямом контакте со всем. «Никакое воздействие, каким бы могущественным оно ни было, не совершается на расстоянии, кроме воздействий через среду, — писал выдающийся философ-схоласт Фома Аквинский. — Но это свойственно великой силе Бога, Он напрямую воздействует на все вещи. Следовательно, ничто не находится далеко от Него».
Однако чем больше ученые вдумывались в теорию Аристотеля, тем больше разочаровывались, поэтому они расширили масштабы своей деятельности от восстановления идей Аристотеля до их усовершенствования. То, что Аристотель не объяснял магнетизм и статическое электричество, было заметным слабым местом. В конце 1500-х гг. английский врач Уильям Гильберт (который позже служил личным врачом королевы Елизаветы I) показал, что магнит притягивает железный брусок, даже если поместить между ними что-то, создающее препятствие любым предполагаемым парам или посредникам. Казалось неоспоримым, что магниты воздействуют на расстоянии. Гильберт никак не мог найти естественного объяснения и склонялся к сверхъестественному: магнит «похож на живое существо», и он притягивает железо в процессе «соития».
Аристотелева космология также казалась многим сомнительной. Разве Вселенная могла быть конечной по размеру и ограничиваться гигантской вращающейся прозрачной сферой? У такой сферы не было бы внешней точки отсчета, чтобы определять ее вращение. В начале 1500-х гг. именно эта несогласованность вдохновила Николая Коперника поместить Солнце, а не Землю в центр Солнечной системы. С его космической заменой вся Аристотелева система начала рушиться. Аристотель говорил, что тела падают вниз, потому что таково направление к центру Вселенной. В гелиоцентрической системе мира это уже неверно. Таким образом, Коперник создал стимул для альтернативного объяснения тяготения. Поскольку центр Вселенной больше не задавал направление движения тел, Вселенная могла не иметь центра вообще. Она могла быть бесконечной в полном соответствии с основополагающим принципом атомизма. Заново открыв также работы Лукреция, многие ученые сообразили: устройство космоса было доказательством существования атомов. Это был не последний раз, когда философы и физики узнавали о малом, изучая большое.
Атомизм достиг расцвета во времена Рене Декарта в середине XVII в. Сегодня Декарта помнят как автора утверждения «Я мыслю, следовательно, существую» и Декартовых координат, используемых на миллиметровке. Но это всего лишь два элемента грандиозного проекта — попытки превзойти самого Аристотеля. Декарт писал другу: «Я решил объяснить все явления природы, т.е. всю физику». И он преуспел: его теория была первой за 2000 лет новой теорией всего, которая могла претендовать на такую же всесторонность, как и Аристотелева. Декарт полностью объединил систему мира Коперника с механистической философией, и его идеи послужили манифестом Революции в науке.
Декарт подчеркивал различия между собственной теорией и классическим атомизмом, возможно, чтобы обосновать свою претензию на новизну, но преемственность очевидна. Мир состоит из частиц, взаимодействующих в пространстве. Тело не имеет непостижимых врожденных свойств или склонности искать свое законное место во Вселенной, как полагал Аристотель. Это просто геометрическая фигура. У нее есть размер и форма, но нет цвета, текстуры или массы. Зная всего несколько чисел (Декартовы координаты), чтобы указать положение тела, вы знаете о нем все, что только можно знать. Едва ли все могло быть проще.
Целью Декарта была постижимость: сделать тайны природы абсолютно прозрачными. Локальность была необходима для достижения этой цели. Тела взаимодействовали строго локально: они двигались свободно и прямолинейно, пока не столкнутся одно с другим; только тогда они изменяли направление движения. Как Демокрит и Аристотель, Декарт не предложил серьезных доказательств этого принципа. «Такие вещи не требуют доказательств, потому что они очевидны сами по себе», — писал он. В повседневной жизни нам приходится дотрагиваться до предметов, чтобы заставить их совершить что-то, и Декарт предположил, что контактное воздействие определяет и все остальное во Вселенной. Проблема заключалась в том, что это не так. Декарт проделал такую тщательную работу по применению принципа локальности, что ненамеренно показал степень его несостоятельности.
Например, Декарт поддерживал старое атомистическое представление о тяготении как о толчке сверху. В его теории планеты находятся в центре космических воронок, вихревые движения которых направляют частицы в сторону их центра. Что касается объяснения того, почему движения планет согласованы между собой, то в представлениях Декарта было много правды. Он почти правильно описывал форму Солнечной системы и предвосхитил современные теории формирования планет. Но его теория была ошибочна в деталях. Помимо многих других недостатков она подразумевала, что тела должны падать в направлении оси вращения Земли, где вихревые движения исчезают, а не к ее геометрическому центру. Если бы это было правдой, то яблоко, брошенное недалеко от Северного полюса, «падало» бы вбок, а не прямо вниз. Что касается магнетизма и статического электричества, то Декарт объяснял их частицами в форме крошечных винтов или рычагов. Об этой идее можно сказать лишь то, что она достойна приза за изобретательность.
Был ли механистический взгляд на Вселенную в целом правильным и требующим лишь кое-каких уточнений? Или его надо было отбросить? Это дилемма, с которой ученые борются всякий раз, когда натыкаются на исключения из какой-нибудь теории. Рассудительные люди не соглашаются с ним, но ответ очевиден только в ретроспективе, да и то далеко не всегда. В данном случае на кону было куда больше, чем одна теория. Бросить вызов механистической теории и ее центральному допущению о локальности означало бросить вызов науке вообще. Если допустить ее несостоятельность, значит ли это признать, что мир неподвластен разумному осмыслению? В некотором смысле удивительно, но ответ — «да». Чтобы «починить» механистическую теорию, участники Революции в науке должны были выйти за пределы самой науки: в область волшебства.
Волшебство в механицизме
Если в школе вы что-то и узнаёте о науке, то это знание ограничивается тем, что наука — противоположность волшебства. Начиная с Древней Греции философы и ученые пытаются открыть людям глаза на безумства, в которые они верят: гомеопатия, гороскопы и гадания — это если взять только слова на букву «г». Но как тогда объяснить тот факт, что многие из величайших ученых в истории потратили кучу времени на занятие магией? Ньютон устроил алхимическую лабораторию в сарае в саду и собрал одну из лучших библиотек в мире по этой теме.
Поделиться книгой: