Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   66


Ранее научное исследование фокусировалось на видах вещей, которые можно видеть или ощущать в повседневной жизни. Галилей сбрасывал тяжести с наклонной башни (или так гласит легенда) и наблюдал за шариками, скатывающимися по наклонной плоскости; Ньютон изучал падающие яблоки (или так гласит легенда) и орбиту Луны. Целью этих исследований было приспособление нарождающегося слуха науки к природным гармониям. Есть уверенность, что физическая реальность была материалом для ощущений, но сложной задачей было услышать рифму и причину за ритмом и регулярностью. Многие воспетые и невоспетые герои внесли вклад в быстрый и впечатляющий прогресс, который был осуществлен, но Ньютон обошел всех. С горсткой математических уравнений он воспроизвел все известное о движении на земле и в небесах и, делая это, соединил главные моменты, прийдя к тому, что известно как классическая физика.


В течение десятилетий, следующих за трудами Ньютона, его уравнения были развиты в законченную математическую структуру, что существенно расширило как их область действия, так и практическую ценность. Классическая физика постепенно стала изощренной и зрелой научной дисциплиной. Но ясно сияющим сквозь все эти достижения остается сигнальный огонь оригинального прозрения Ньютона. Даже сегодня, более чем через три сотни лет, вы можете увидеть ньютоновские уравнения, небрежно написанные во всем мире мелом на школьных досках при введении в физику, напечатанные в расчетах траекторий в полетных планах НАСА и встроенные в сложные расчеты передовых исследований.


Ньютон привел богатство физических явлений в простые теоретические рамки.


Однако, во время формулирования своих законов движения Ньютон столкнулся с критически сбивающим с толку препятствием, одним из тех, что особенно важны для нашей истории (Глава 2). Каждый знает, что вещи могут двигаться, но как насчет арены, в рамках которой движение имеет место? Хорошо, мы все ответим, это пространство. Но, отзовется Ньютон, что есть пространство? Является ли пространство физической сущностью или это абстрактная идея, рожденная усилиями человека для осмысления космоса? Ньютон осознавал, что на этот ключевой вопрос должен быть ответ, поскольку без установления смысла пространства и времени его уравнения, описывающие движение, оказываются бессмысленными. Понимание требует контекста; проникновение в суть должно быть закреплено.


Итак, через несколько коротких высказываний в своих Принципах математики Ньютон озвучил концепцию пространства и времени, декларируя абсолютные и неизменные сущности, которые обеспечивают вселенной жесткую, не подверженную изменениям арену. Согласно Ньютону, пространство и время обеспечивают невидимую платформу, которая дает вселенной порядок и структуру. Никто не согласился. Некоторые убедительно аргументировали, что имеет мало смысла приписывать существование тому, что вы не можете почувствовать, схватить или подвергнуть воздействию. Но объяснительная и предсказательная сила ньютоновских уравнений успокоила критику. В течение следующих двух сотен лет его абсолютная концепция пространства и времени была догмой.


Релятивистская реальность


Классический ньютоновский взгляд на мир радовал. Он не только описывал природные явления с поразительной точностью, но и детали описания – математика – строго соответствовали опыту. Если вы что-либо толкнете, его скорость возрастет. Чем сильнее вы бросите мяч, тем большее сотрясение он получит, когда шлепнется о стену. Если вы давите на что-либо, вы чувствуете его обратное давление на вас. Чем более массивным является предмет, тем сильнее его гравитационное притяжение. Все это находится в числе наиболее основных свойств естественного мира, и когда вы изучаете теорию Ньютона, вы видите их представление в его уравнениях, ясных как день. В отличие от необъяснимого фокуса-покуса с магическим кристаллом действие ньютоновских законов демонстрировало полноту для всех с минимальной математической тренировкой. Классическая физика обеспечила строгое основание для человеческой интуиции.


Ньютон включил силу гравитации в свои уравнения, но так было до 1860х годов, пока шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл не расширил рамки классической физики, приняв во внимание электрические и магнитные силы. Максвеллу понадобилось создать дополнительные уравнения, и математика, которую он применил, потребовала более высокого уровня тренировки, чтобы понять ее полностью. Но его новые уравнения были во всех отношениях столь же успешны для объяснения электрических и магнитных явлений, как ньютоновские были успешны для объяснения движения. С конца 1800х было очевидно, что секреты вселенной больше не сопротивляются силе человеческого интеллектуального могущества.


В самом деле, с успешным присоединением электрических и магнитных сил, было растущее ощущение, что теоретическая физика скоро завершится. Физики, предполагали некоторые, быстро получат конечные объекты, и их законы скоро будут высечены в камне. В 1894 известный физик-экспериментатор Альберт Майкельсон заметил, что "большинство из великих основопологающих принципов твердо установлены", и он сослался на "видного ученого", – вероятнее всего, это был британский физик лорд Кельвин, – который сказал, что все, что остается, – это детали определения некоторых чисел до более высоких десятичных цифр после запятой.[1] В 1900 Кельвин сам отметил, что "два облачка" нависают на горизонте, первое связано со свойствами движения света, а второе с поведением излучающих объектов, испускающих излучение при нагревании, но есть полная уверенность, что это всего лишь детали, которые, несомненно, скоро найдут свои объяснения.[2]


В течение десяти лет все изменилось. Как и ожидалось, две проблемы, которые поднял Кельвин, быстро нашли свои объяснения, но они оказались какими угодно, но только не незначительными. Каждая породила революцию, и каждая потребовала фундаментального переписывания законов природы. Классические концепции пространства, времени и реальности – те самые, которые на протяжении сотен лет не только работали, но также лаконично выражали наши интуитивные ощущения мира, – были низвергнуты.


Релятивистская революция, к которой привело первое из "облачков" Кельвина, датируется 1905 и 1915 годами, когда Альберт Эйнштейн завершил свои специальную и общую теории относительности (Глава 3). Во время борьбы с головоломками, включающими электричество, магнетизм и движение света, Эйнштейн осознал, что ньютоновская концепция пространства и времени, краеугольный камень классической физики, раскололась. После нескольких недель интенсивного труда весной 1905 он определил, что пространство и время не являются независимыми и абсолютными, как думал Ньютон, а являются запутанными и относительными таким способом, который бросает вызов повседневному жизненному опыту. Примерно через десять лет Эйнштейн вбил последний гвоздь в гроб ньютонианства, переформулировав законы гравитационной физики. В это время, но не только, Эйнштейн показал, что пространство и время являются частью единого целого, он также показал, что через деформации и искривления они принимают участие в космической эволюции. В отличие от жестких и неизменных структур, которые представлял Ньютон, пространство и время в переработке Эйнштейна эластичны и динамичны.


Две теории относительности являются наиболее драгоценными достижениями человеческого рода, и с их помощью Эйнштейн опрокинул ньютоновскую концепцию реальности. Даже если ньютоновская физика, кажется, сильно поддерживает математически то, что мы ощущаем физически, действительность, которую она описывает, не является действительностью нашего мира. Наша действительность релятивистская. К тому же, поскольку различие между классической и релятивистской реальностями проявляется только в экстремальных условиях (таких как экстремально высокие скорости и гравитация), ньютоновская физика все еще обеспечивает приближение, которое демонстрирует экстремальную точность и применимо во многих условиях. Но утилитарность и реальность суть очень разные стандарты. Как мы увидим, характерные черты пространства и времени, которые для многих из нас являются второй натурой, оказались фикцией, вытекающей из ложных ньютоновских взглядов.


Квантовая реальность


Вторая аномалия, о которой упоминал лорд Кельвин, привела к квантовой революции, одному из величайших потрясений, которому когда-либо подвергались современные человеческие представления. Со временем огонь утих и дым рассеялся, облицовка классической физики была отменена вновь возникшими рамками квантовой реальности.


Коренная особенность классической физики заключается в том, что если вы знаете положения и скорости всех объектов в отдельный момент времени, ньютоновские уравнения вместе с их максвелловскими дополнениями могут предсказать вам их положения и скорости в любой другой момент времени, прошлый или будущий. Без всякой неопределенности классическая физика декларирует, что прошлое и будущее выгравированы в настоящем. Эта особенность также присуща как специальной, так и общей теориям относительности. Хотя релятивистские концепции прошлого и будущего более утонченные, чем их классические двойники (Главы 3 и 5), релятивистские уравнения вместе с полным знанием о настоящем определяют их так же полностью.


Однако, к 1930м годам физики приложили усилия для введения целой новой концептуальной схемы, названной квантовой механикой. Совершенно неожиданно они нашли, что только квантовые законы были в состоянии разрешить массу головоломок и объяснить многообразие вновь полученных данных из атомной и субатомной областей. Но в соответствии с квантовыми законами, даже если вы делаете максимально возможно точные измерения того, в каком состоянии вещи находятся сегодня, лучшее, что вы можете в любое время надеяться сделать, это предсказать вероятности того, что вещи будут в том или ином состоянии в некоторый выбранный момент времени в будущем, или что вещи были в том или ином состоянии в некоторый выбранный момент времени в прошлом. Вселенная, согласно квантовой механике, не выгравирована в настоящем; вселенная, согласно квантовой механике, принимает участие в игре случая. Хотя все еще идут споры о точности, с которой указанные исследования должны интерпретироваться, большинство физиков согласны, что вероятность глубоко вплетена в ткань квантовой реальности. В то время как человеческая интуиция и ее воплощение в классической физике рассматривают реальность, в которой вещи всегда определяемы в том или ином состоянии, квантовая механика описывает реальность, в которой вещи в какой-то момент времени находятся в неопределенности, в неясности существования, частично в одном состоянии и частично в другом. Вещи становятся определенными только тогда, когда на них воздействует подходящее наблюдение, чтобы отставить квантовые вероятности и получить определенный результат опыта. При этом результат, который реализуется, не может быть предсказан, – мы можем предсказать только возможность, что вещи окажутся в том или ином состоянии.


Это, окровенно говоря, странно. Мы не привыкли к реальности, которая остается неопределенной до восприятия. Но странности квантовой механики на этом не заканчиваются. По меньшей мере, поразительной является особенность, восходящая к статье Эйнштейна, написанной в 1935 с двумя юными коллегами, Натаном Розеном и Борисом Подольским, и предназначавшейся для атаки на квантовую теорию.[3] Вместе с происходившими затем извивами научного прогресса сейчас статья Эйнштейна может рассматриваться как одна из первых, указывающих, что квантовая механика – если брать по сути – подразумевает, что нечто, что вы сделали здесь, может мгновенно быть связанным с чем-то, происходящим где-то, несмотря на расстояние. Эйнштейн рассматривал такие мгновенные связи как нелепые и интерпретировал их появление из математики квантовой механики как свидетельство, что теория нуждается в больших доработках, прежде чем она достигнет приемлемой формы. Но в районе 1980х, когда как теоретические, так и технологические разработки привели экспериментальные наблюдения к рождению этих подразумевающихся квантовых абсурдностей, исследователи подтвердили, что возможна мгновенная связь между тем, что происходит в сильно удаленных друг от друга местах. При четких лабораторных условиях реально происходит то, что Эйнштейн считал абсурдом (Глава 4).


Проявления этих особенностей квантовой механики для нашей картины реальности являются объектом продолжающихся исследований. Многие ученые, я в том числе, рассматривают их как часть радикального квантового обновления смысла и свойств пространства. Обычно пространственная удаленность влечет за собой физическую независимость. Если вы хотите проконтролировать, что происходит на другой стороне футбольного поля, вы идете туда или, в самом крайнем случае, вы посылаете кого-нибудь или что-нибудь (ассистирующего тренера, скачущие молекулы воздуха, передающие речь, луч света для привлечения чьего-либо внимания и т.п.) через поле для передачи своего воздействия. Если вы не делаете этого, – если вы остаетесь пространственно изолированными, – вы не оказываете влияния, так как лежащее в промежутке пространство обеспечивает отсутствие физического взаимодействия. Квантовая механика ставит под вопрос такой взгляд, показывая, как минимум, в определенных обстоятельствах, способность преодолеть пространство; дальнодействующие квантовые взаимодействия могут обойти пространственное разделение. Два объекта могут находиться в пространстве на большом расстоянии друг от друга, но, что касается квантовой механики, они ведут себя так, как если бы они были единой сущностью. Более того, поскольку Эйнштейн нашел тесную связь между пространством и временем, квантовые взаимодействия также протягивают щупальца во времени. Мы коротко столкнемся с некоторыми остроумными и в полном смысле слова удивительными экспериментами, которые недавно исследовали ряд потрясающих пространственно-временных взаимодействий, которые влечет за собой квантовая механика, и, как мы увидим, они сильнейшим образом бросают вызов классическому интуитивному мировоззрению, которого большинство из нас придерживается.


Немотря на эти и многие другие впечатляющие наблюдения, остается одна из основополагающих особенностей времени, – то, что оно кажется имеющим направление из прошлого в будущее, – для которой ни теория относительности, ни квантовая механика не обеспечивают объяснения. Вместо этого убедительный прогресс пришел только из исследований в области физики, именуемой космологией.


Космологическая реальность


Раскрыть наши глаза на правильную природу вселенной всегда было одной из приоритетных целей физики. Тяжело представить себе, что многочисленные головоломные эксперименты учат, как мы имеем на протяжении последнего столетия, что реальность, которую мы ощущаем, является лишь отблеском существующей реальности. Но физика имеет также не менее важную заботу объяснить элементы реальности, которые мы действительно ощущаем. Из нашего быстрого марша сквозь историю физики может показаться, как будто это уже достигнуто и как будто повседневный опыт адресуется к достижениям физики до двадцатого века. В некоторой степени это правильно. Но даже когда речь идет о повседневности, мы далеки от полного понимания. И среди особенностей повседневного опыта, что сопротивляются полному объяснению, есть одна, которая приводит к одной из глубочайших нерешенных тайн в современной физике – тайне, которую великий британский физик сэр Артур Эддингтон назвал стрелой времени.[4] Мы принимаем на веру, что имеется направление, в котором вещи раскрываются во времени. Яйцо разбивается, но не собирается вновь; свечи плавятся, но не сплавляются назад; воспоминания относятся к прошлому, никогда к будущему; люди стареют, но не молодеют. Эти асимметрии управляют нашей жизнью; отличие между прямым и обратным во времени есть господствующий элемент экспериментальной реальности. Если прямое и обратное во времени проявляло бы ту же симметрию, какую мы видим между левым и правым, или между назад и вперед, мир был бы нераспознаваем. Яйцо складывалось бы так же часто, как и разбивалось; свечи сплавлялись бы так же часто, как и расплавлялись; мы помнили бы о будущем столько же, сколько и о прошлом; люди молодели бы так же часто, как и старели. Определенно, такая симметричная во времени реальность – не наша реальность. Но откуда происходит асимметрия времени? Что отвечает за это наиболее основное из всех свойств времени?


Оказывается, что известные и признанные законы физики не проявляют такой асимметрии (Глава 6): каждое направление во времени, вперед или назад, трактуется законами без отличий. И в этом причина великой головоломки. Ничто в уравнениях фундаментальной физики не отмечает рассмотрение одного направления во времени отлично от другого, и это полностью отличается от всего, что мы ощущаем.[5]


Удивительно, что даже если мы фокусируемся на обычных особенностях повседневной жизни, наиболее убедительное разрешение этого рассогласования между фундаментальной физикой и повседневным опытом требует от нас пристально рассмотреть наиболее необычное из событий – начало вселенной. Осмысление этого началось с работы великого физика девятнадцатого столетия Людвига Больцмана и за последующие годы разрабатывалось многими исследователями, наиболее примечательный из которых британский математик Роджер Пенроуз. Как мы увидим, специальные физические условия в начале вселенной (сильно упорядоченная внешняя среда в момент или сразу после Большого взрыва) могут оставить след в направлении времени, точно как завод часов, перевод их пружины в сильно упорядоченное начальное состояние позволяет им тикать вперед. Таким образом, в смысле, который мы можем определить, разбивание – в противоположность собиранию – яйца дает свидетельство условий при рождении вселенной примерно 14 миллиардов лет назад.


Эта неожиданная связь между повседневным опытом и ранней вселенной позволяет проникнуть в вопрос, почему события разворачиваются одним образом во времени и никогда обратным, но это не есть полное разрешение тайны стрелы времени. Наоборот, это сдвигает головоломку в область космологии – изучения происхождения и эволюции космоса в целом – и вынуждает нас искать, действительно ли вселенная имела высокоупорядоченное начало, как этого требует объяснение стрелы времени.


Космология находится среди старейших вещей, увлекающих наш род. И это не чудо. Мы рассказчики историй, а какая история может быть более великой, чем история творения? На протяжении последних нескольких тысячелетий мировые религиозные и философские традиции взвешивали версии, каким образом все сущее – вселенная – началось. Наука тоже за свою долгую историю прикладывала руки к космологии. Но было открытие Эйнштейном общей теории относительности, что отмечается как рождение современной научной космологии.


Вскоре после публикации Эйнштейном его общей теории относительности и он и другие применили ее ко вселенной в целом. В течение нескольких десятилетий их исследования привели к основным понятиям того, что сейчас называют теорией Большого взрыва, приближению, которое успешно объясняет многие особенности астрономических наблюдений (Глава 8). В середине 1960х свидетельства в поддержку космологии Большого взрыва еще более усилились после того, как наблюдения открыли почти однородный газ микроволнового излучения, пронизывающий пространство, – невидимый для невооруженного глаза, но легко измеримый микроволновыми детекторами, – что было предсказано теорией. И определенно, в 1970е после десятилетия подробных исследований и значительного прогресса в определении того, как основные явления в космосе соответствуют экстремальным начальным изменениям в тепле и температуре, теория Большого взрыва закрепила за собой место ведущей космологической теории (Глава 9).


Несмотря на свои успехи, теория страдает существенными недостатками. Она с трудом объясняет, почему пространство всюду имеет вид, открываемый детальными астрономическими наблюдениями, и она не позволяет объяснить, почему температура микроволнового излучения, интенсивно изучаемая с момента его открытия, оказывается строго однородной по небу. Более того, что имеет отношение первостепенной важности к обсуждаемой нами истории, теория Большого взрыва не обеспечивает неопровержимых доводов, почему вселенная могла быть более упорядочена вблизи самого начала, как требуется для объяснения стрелы времени.


Эти и иные спорные вопросы инспирировали серьезный прорыв в конце 1970х и начале 1980х, известный как инфляционная космология (Глава 10). Инфляционная космология модифицирует теорию Большого взрыва путем введения экстремально короткого периода поражающе быстрого расширения во время самой ранней вселенной (в этом приближении размер вселенной увеличился на множитель, больший чем миллион триллионов триллионов, за время, меньшее чем миллионная триллионной триллионной доли секунды). Как станет ясно, этот сумасшедший рост молодой вселенной обходным путем движется к заполнению дыры, остающейся в модели Большого взрыва, – к объяснению картины пространства и однородности микроволнового излучения, а также к предположению, почему ранняя вселенная могла быть высоко упорядоченной, – так что мы все переживаем существенный прогресс в объяснении как астрономических наблюдений, так и стрелы времени (Глава 11).


Однако, вопреки этим высоким достижениям, за два десятилетия инфляционная космология утаивала свой собственный смущающий вопрос. Как и стандартная теория Большого взрыва, которую она модифицирует, инфляционная космология основывается на уравнениях Эйнштейна, открытых вместе с его общей теорией относительности. Несмотря на большое число исследовательских статей, подтверждающих силу уравнений Эйнштейна для точного описания больших и массивных объектов, физики давно знают, что точный теоретический анализ малых объектов, – таких как наблюдаемая вселенная, когда ее возраст был всего лишь долю секунды, – требует использования квантовой механики. Проблема, однако, в том, что когда уравнения общей теории относительности пытаются объединить с уравнениями квантовой механики, результат получается бедственный. Уравнения полностью разрушаются, и это мешает нам определить, как родилась вселенная и выполнялись ли при ее рождении условия, необходимые для объяснения стрелы времени.