Кратчайшая история времени

Конечная цель науки состоит в том, чтобы дать миру единую теорию, которая описывает всю Вселенную. Однако на практике ученые делят эту задачу на две части. Первую часть составляют законы, описывающие, как Вселенная изменяется со временем. (Если мы знаем состояние Вселенной в определенный момент времени, то эти физические законы скажут нам, каково будет ее состояние впоследствии.) Ко второй части относятся вопросы, касающиеся первоначального состояния Вселенной. Некоторые люди убеждены, что наука должна заниматься только первой частью, оставив вопрос о начальном состоянии метафизике или религии. Они говорят, что Бог, будучи всемогущим, мог дать начало Вселенной любым угодным Ему образом. Возможно и так, но тогда Он также мог заставить ее развиваться совершенно произвольным образом. Однако, похоже, что Творец предписал ей развиваться в строгом соответствии с определенными законами. Поэтому не разумнее ли предположить, что некие законы управляли и начальным состоянием Вселенной?

Оказывается, очень трудно одним махом изобрести теорию, описывающую всю Вселенную. Вместо этого мы разбиваем задачу на части и создаем множество частных теорий.

Каждая из этих теорий описывает и предсказывает некоторый ограниченный класс наблюдений, пренебрегая влиянием других соотношений или представляя их простыми наборами чисел. Возможно, этот подход является в корне неправильным. Если все во Вселенной взаимозависимо самым фундаментальным образом, то может статься, что нельзя подойти к полному решению, исследуя части проблемы по отдельности. Тем не менее, действуя таким способом в прошлом, ученые достигли известных успехов. Классический пример — все та же теория Ньютона, которая ставит гравитационное взаимодействие между двумя телами в зависимость только от одного их качества — массы, не принимая в расчет, из чего они сложены. Другими словами, нам не нужна теория внутреннего строения Солнца и планет для расчета их орбит [4] .

4

При расчете движения планет их внутренним строением действительно можно пренебречь. Однако в ряде случаев так поступать нельзя. При сближении небесных тел на их движении начинают сказываться приливные силы и неоднородности внутреннего распределения вещества. Следя за движением спутника вблизи поверхности планеты и регистрируя особенности гравитационного поля, можно искать полезные ископаемые или изучать ее внутреннее строение.

Сегодня ученые описывают Вселенную в терминах двух основных частных теорий — общей теории относительности и квантовой механики. Это величайшие достижения разума первой половины двадцатого столетия. Общая теория относительности описывает действие гравитации и крупномасштабную структуру Вселенной, то есть структуру на масштабах от нескольких километров до миллиона миллионов миллионов миллионов (единица с двадцатью четырьмя нулями) километров — размера наблюдаемой Вселенной [5] . Квантовая механика, напротив, имеет дело с предельно малыми масштабами, порядка миллионной доли от миллионной доли сантиметра (рис. 3). Увы, но известно, что эти две теории несовместимы друг с другом: вместе они не могут быть правильны. Одной из главных задач сегодняшней физики и главной темой этой книги является поиск новой теории — квантовой теории гравитации, которая включит в себя обе нынешние теории. Пока еще мы не располагаем такой теорией, и, быть может, нам предстоит еще долгий путь к ней, но нам уже известны многие из тех свойств, которыми она должна обладать. И мы покажем далее, что уже знаем солидное количество предсказаний, которые должна делать квантовая теория гравитации.

5

По современным данным, поперечник видимой части Вселенной составляет около 27 млрд св. лет = 2,6•1023 м. Это на порядок меньше приведенного в тексте значения.

Рис. 3. Атомы и галактики.

В первой половине двадцатого века физики раздвинули пределы исследуемых явлений от привычного нам мира, подчиняющегося законам Ньютона, до микро— и макрокосма. 

Если вы верите, что Вселенная не хаотична, а управляется определенными законами, то должна быть возможность в конечном счете свести все частные теории в одну полную объединенную теорию, которая опишет все во Вселенной. Но поиски общей теории заключают в себе фундаментальный парадокс. Принципы создания научных теорий, сформулированные выше, предполагают, что мы рациональные существа, которые вольны наблюдать Вселенную по своему разумению и делать логические выводы из того, что мы видим. В таком случае напрашивается предположение, что мы могли бы подбираться все ближе к законам, которые управляют нашей Вселенной. И если бы действительно существовала полная объединенная теория, она, возможно, предопределила бы наши собственные действия. А значит, и результаты наших поисков самой объединенной теории! И почему она должна предопределить, что мы сделаем правильные заключения из того, что видим? Не может ли оказаться, что с таким же успехом мы сделаем неправильные выводы? Или вообще никаких выводов?

Единственный ответ, который можно дать на эти вопросы, основан на принципе естественного отбора Дарвина. В любой популяции самовоспроизводящихся организмов неизбежны вариации в генетическом веществе и воспитании различных особей. Эти различия подразумевают, что некоторые индивидуумы способны вернее других судить об окружающем мире и действовать в соответствии со своими суждениями. Подобные индивидуумы с большей вероятностью выживут и дадут потомство, а стало быть, их поведение и образ мышления станет доминировать. Не подлежит сомнению, что в прошлом то, что мы называем интеллектом и научным мышлением, давало преимущества в борьбе за выживание. Не совсем ясно, однако, дают ли они подобное преимущество сегодня. Наши научные открытия способны уничтожить всех нас, и, даже если этого не произойдет, полная объединенная теория не увеличит наших шансов на выживание. Однако, если Вселенная развивалась по определенным законам, мы могли бы ожидать, что способность к мышлению, которой наделил нас естественный отбор, поможет нам также в поисках полной объединенной теории и не приведет нас в конечном счете к ложным заключениям.

Частные теории, которыми мы уже располагаем, достаточны для того, чтобы делать точные предсказания во всех ситуациях, за исключением самых экстремальных. Поэтому поиск окончательной теории Вселенной, похоже, трудно оправдать соображениями практической пользы. (Стоит отметить тем не менее, что подобный аргумент мог использоваться и против теории относительности и квантовой механики, а они дали нам ядерную энергию и микроэлектронную революцию!) Открытие полной объединенной теории может и не помочь выживанию человеческого рода. Оно может даже не отразиться на нашем образе жизни. Но с самого зарождения цивилизации люди отказывались считать явления лишенными взаимосвязей и необъяснимыми. Они жаждали постичь лежащий в основе всего миропорядок. Сегодня мы все еще стремимся узнать, откуда и каким образом появились мы в этом мире. Фундаментальная тяга человечества к знанию — достаточное основание для продолжения поисков. И мы не удовольствуемся меньшим, чем полное постижение Вселенной, в которой мы живем.

Глава четвертая ВСЕЛЕННАЯ НЬЮТОНА

Наши нынешние представления о движении тел восходят к Галилею и Ньютону. До них люди верили Аристотелю, утверждавшему, что естественное состояние тела — покой, а движется оно только под влиянием силы или импульса. Отсюда следовало, что тяжелое тело должно падать быстрее легкого, потому что оно сильнее притягивается к Земле.

Аристотелевская традиция провозглашала также, что все законы, управляющие Вселенной, можно вывести путем чистого умозрения, без экспериментальной проверки. Поэтому до Галилея никто не дал себе труда удостовериться, действительно ли тела различной массы падают с разной скоростью.

Говорят, что Галилей демонстрировал ложность утверждения Аристотеля, бросая предметы с накренившейся башни в итальянском городе Пиза. Эта история, скорее всего, выдумана, но Галилей все же делал нечто подобное: он скатывал шары разной массы по гладкой наклонной плоскости. Это аналогично вертикальному падению тел, но благодаря меньшим скоростям в подобном эксперименте легче выполнять наблюдения.

Измерения Галилея показали, что скорость движения тел возрастала одинаково независимо от их массы. Например, если вы пустите шар по наклонной плоскости, которая понижается на один метр каждые десять метров, то независимо от массы через секунду он будет двигаться со скоростью примерно один метр в секунду, через две секунды — два метра в секунду и так далее.

Конечно, тело из свинца падает быстрее перышка, но только потому, что падение пера замедляется сопротивлением воздуха. Два тела, не испытывающих существенного воздушного сопротивления, например два свинцовых груза разной массы, будут падать с одним и тем же ускорением. (Мы скоро узнаем почему.) На Луне, где нет воздуха, замедляющего падение, астронавт Дэвид Р. Скотт провел эксперимент, бросая перышко и кусок свинца, и убедился, что они одновременно упали на грунт.

Ньютон положил измерения Галилея в основание своих законов движения. В экспериментах Галилея тело скатывалось с наклонной плоскости под действием постоянной силы, придававшей ему постоянное ускорение. Этим демонстрировалось, что реальный эффект от действия силы — изменение скорости тела, а не приведение его в движение, как считалось ранее. Также отсюда следовало, что, пока тело не подвергается действию какой-либо силы, оно перемещается по прямой линии с постоянной скоростью. Данная идея, впервые отчетливо высказанная в «Началах» (1687), известна как первый закон Ньютона [6] .

6

Строго говоря, суть первого закона Ньютона состоит в существовании особых систем отсчета, называемых инерциальными, в которых только и верны другие законы Ньютона. Признаком инерциальной системы отсчета является то, что скорости тел относительно нее меняются только под влиянием сил, действующих со стороны других тел. В неинерциальных системах отсчета (например, на вращающейся карусели или в ускоряющемся вагоне) скорости тел могут меняться и без физического воздействия. На это всегда обращают внимание при изучении законов Ньютона в физико-математических школах и в высших учебных заведениях. Формулировка, приведенная в тексте, может вызвать ошибочное впечатление, будто первый закон Ньютона является просто частным случаем второго (F= та).

Поведение тела под действием силы описывается вторым законом Ньютона. Он утверждает, что тело будет ускоряться, то есть изменять свою скорость в темпе, пропорциональном величине приложенной силы. (Например, ускорение увеличится вдвое, если вдвое возрастет сила.) Кроме того, ускорение тела тем меньше, чем больше его масса, то есть количество вещества. (Одна и та же сила, действующая на тело вдвое большей массы, дает половинное ускорение.) Всем, кто имел дело с автомобилями, известно: чем мощнее двигатель, тем больше ускорение, а при одной и той же мощности двигателя более тяжелая машина ускоряется медленнее.

В дополнение к законам движения, описывающим реакцию тел на действие сил, ньютоновская теория тяготения описывает, как определить величину одного конкретного вида сил — гравитации. Как уже было сказано, согласно этой теории любые два тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам. То есть сила притяжения между двумя телами возрастает вдвое, если удвоить массу одного из тел, например тела А (рис. 4). Это вполне естественно, поскольку можно рассматривать новое тело А как два тела, каждое из которых обладает первоначальной массой и притягивает тело В с первоначальной силой. Таким образом, полная сила взаимного притяжения тел А и В будет вдвое больше первоначальной. А если бы масса одного из тел возросла в шесть раз, или масса одного вдвое, а другого — втрое, то сила притяжения между ними выросла бы в шесть раз.