Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
| Вид материала | Документы |
- Тема 2 Социальное пространство и социальная структура. Понятие социального пространства, 586.13kb.
- Программа вступительного экзамена по специальности в магистратуру физического факультета, 209.43kb.
- Название работы, 371.8kb.
- Политическое сознание. (Ольшанский) Структура сознания в русле методологии деятельностного, 37.54kb.
- Реферат по дисциплине: Философия на тему: Время и пространство в философии, 382.06kb.
- Схемы, пространство-время и мышление в контексте проблемы освоения интеллектуальных, 160.25kb.
- Социальное пространство компьютерно-опосредованной реальности: опыт феноменологической, 295.3kb.
- Романтика космоса, 1113.61kb.
- «Химия космоса», 282.27kb.
- Цикл семинаров «новые парадигмы для человечества. Структура реальности. Природа человека», 90.37kb.
Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
Посвящается Трэйси
The fabric of the cosmos: space, time and the texture of reality / Brian R. Greene.
Random House, Inc., New York, 2004
ISBN 0-375-41288-3
© Copyright перевод Юрий Артамонов
2006
Предисловие
Пространство и время притягивают воображение как никакой другой объект науки. И не без оснований. Они формируют арену реальности, ту самую ткань космоса. Наше существование в целом – все, что мы делаем, думаем и чувствуем, – имеет место в некоторой области пространства в течение некоторого интервала времени. До сих пор наука бьется за понимание того, что в действительности представляют из себя пространство и время. Являются ли они реальными физическими сущностями или просто удобными идеями? Если они реальны, то являются ли они фундаментальными или они суть проявления более основополагающих составных частей? Что означает для пространства быть пустым? Имеет ли время начало? Имеет ли оно направленность, неумолимо протекая из прошлого в будущее, как нам подсказывает повседневный опыт? Можем ли мы манипулировать пространством и временем? В этой книге мы проследим три сотни лет страстных научных изысканий в поисках ответов или хотя бы проблесков ответов на подобные основополагающие и глубокие вопросы о природе вселенной.
Наше путешествие вновь и вновь будет приводить нас к другим, тесно связанным вопросам, тоже охватывающим нечто неуловимое: Что есть реальность? Мы, люди, имеем доступ только к внутренним переживаниям от ощущений и мышления, так как же мы можем быть уверены, что они правильно отражают внешний мир? Философы долго постигали эту проблему. Кинематографисты популяризировали ее через серии историй про искусственные миры, которые создавались путем тонкой нейростимуляции и существовали исключительно в разуме их носителя. И физики, как и ваш покорный слуга, остро осознают, что наблюдаемая нами реальность – материя, эволюционирующая на платформе пространства и времени, – может иметь мало отношения к реальности, которая находится где-то далеко, если таковая имеет место. Тем не менее, поскольку наблюдения – это все, что мы имеем, мы воспринимаем их всерьез. Мы выбираем в качестве путеводителя надежные данные опытов и структуру математики, а не безудержные фантазии или жесткий скептицизм, и разыскиваем простейшие из теорий с наибольшей сферой охвата, способные объяснить и предсказать результаты сегодняшних и будущих экспериментов. Такой подход весьма сильно ограничивает рассматриваемые нами теории. (В этой книге, например, мы не собираемся искать намеки на то, что я плаваю в капсуле, соединенной с тысячами стимулирующими мозг проводами, которые внушают мне единственную мысль, что я сейчас пишу этот текст). Однако, в течение последнего столетия исследования в физике вызвали пересмотр нашего повседневного восприятия реальности, который настолько же драматичен, настолько же переворачивает ум и настолько же смешивает системы понятий, как это делает самая богатая на воображение научная фантастика. Эти революционные потрясения будут сопровождать наш поход на протяжении следующих страниц. Многие из вопросов, которые мы исследуем, являются, хотя и в разных видах, теми же самыми, которые заставляли морщить лоб Аристотеля, Галилея, Ньютона, Эйнштейна и многих и многих других на протяжении эпох. И поскольку эта книга стремится передать идеи науки в действии, мы следуем за этими вопросам так, как они были озвучены, снабжены ответами в одном поколении, опровергнуты его наследниками, уточнены и заново интерпретированы учеными последующих столетий.
Например, по поводу запутанного вопроса, является ли полностью пустое пространство, подобное чистому холсту, реальной сущностью или просто абстрактной идеей, мы следуем за маятником научных взглядов, когда он качается между декларацией 17-го века Исаака Ньютона о том, что пространство реально, заключением Эрнста Маха в 19-м веке о том, что это не так, и драматической переформулировкой самого вопроса, совершенной Эйнштейном в 20-м веке, в которой он связал воедино пространство и время и почти совершенно опроверг Маха. Затем мы столкнемся с последующими исследованиями, которые еще раз трансформировали вопрос путем переопределения понятия "пустой", заметив, что пространство неизбежно заполнено тем, что называется квантовыми полями и, вероятно, рассеянной однородной энергией, называемой космологической постоянной, – современным отголоском старого и дискредитированного представления о заполняющем пространство эфире. И, более того, мы затем опишем, как планируемые в космосе эксперименты могут частично подтвердить характерные черты выводов Маха, что оказывается в согласии с эйнштейновской общей теорией относительности, хорошо иллюстрируя очарование и запутанную паутину научного поиска.
В нашу собственную эру мы столкнемся с впечатляющим взглядом инфляционной космологии на стрелу времени, богатым выбором дополнительных пространственных измерений в теории струн, радикальным указанием М-теории на то, что пространство, в котором мы обитаем, может быть кусочком, плавающим в большем космосе, и современные дикие спекуляции на тему, что видимая нами вселенная может оказаться не более, чем космической голограммой. Мы еще не знаем, окажется ли большинство из этих новейших теоретических предположений верными. Но, соглашаясь, что звучат они скандально, мы принимаем их всерьез, так как они – это то, к чему привел наш настойчивый поиск глубинных законов вселенной. Странная и необычная реальность может вырасти не только из богатого воображения научной фантастики, она может также появиться из поисков на переднем крае современной физики.
Ткань Космоса предназначается, преимущественно, для массового читателя, который не имеет или имеет мало формального опыта в науке, но который жаждет понимать, как явления вселенной обеспечивают стимул для развития большого числа сложных и спорных концепций. Как и в моей первой книге, Элегантная Вселенная, я повсюду сосредоточился на ядре научных идей, исключив математические детали в пользу метафор, аналогий, историй и иллюстраций. Когда мы достигаем более сложных разделов книги, я предупреждаю читателя и предоставляю короткие обобщения для тех, кто решит пропустить или поверхностно ознакомиться с более углубленными обсуждениями. Таким образом, читатель должен быть в состоянии пройти путь открытий и получить не просто знание о текущем общем взгляде на физику, но и понимание того, как и почему этот общий взгляд получает преимущество.
Студенты, читатели, интересующиеся общими разделами науки, преподаватели и профессионалы также должны найти в книге много интересного. Хотя начальные главы охватывают необходимый, но стандартный основополагающий материал по теории относительности и квантовой механике, акцент на единстве и реальности пространства и времени в этом подходе отчасти необычен.
Следующие главы охватывают широкий перечень явлений – некоторые из них: теорема Белла, эксперименты с отложенным выбором, квантовые измерения, ускоряющееся расширение, вероятность создания черных дыр в следующем поколении ускорителей частиц, фантастические червоточины, машины времени, – и должны обогатить читателей знанием о большом числе наиболее любопытных и обсуждаемых достижений.
Некоторый материал, который я охватил, является спорным. Для тех публикаций, которые остаются дискуссионными, я обсудил ведущие точки зрения в основном тексте. Для спорных вопросов, по которым я чувствую, что достигнуто некоторое согласие, я перенес обсуждение отличных точек зрения в комментарии. Некоторые ученые, а именно те, которые придерживаются нераспространенных точек зрения, могут отвергнуть некоторые из моих вердиктов, но на протяжении основного текста и комментариев я старался соблюсти баланс трактовок. В комментариях особенно прилежный читатель найдет также более полные истолкования, объяснения и углубления тех позиций, которые я упростил, а также (для тех, кто к этому склонен) краткие математические дополнения к использованным в основном тексте описаниям без уравнений. Краткий толковый словарь обеспечивает быстрые пояснения для некоторых из более специальных научных терминов.
Книга даже такого объема не может исчерпать обширную тему пространства и времени. Я сосредоточился на тех особенностях, которые я нахожу одновременно как наиболее интересными, так и существенными для формирования полной картины реальности, которую рисует современная наука. Нет сомнений, что многое из этого выбора отражает персональный вкус, и я прошу прощения у тех, кто сочтет, что его собственной работе или передовой области исследований не было уделено адекватного внимания.
Во время написания Ткани Космоса мне посчастливилось получить существенный отклик от большого числа привлеченных читателей. Рафаэль Каспер, Льюбос Мотл, Дэвид Стейнхардт и Кен Вайнберг прочитали различные версии готовой рукописи, временами повторно, и предложили многочисленные, детальные и глубокие советы, которые существенно повысили как ясность, так и точность изложения. Я выражаю им сердечную благодарность. Дэвид Альберт, Тэд Балтц, Николас Боулз, Трэйси Дэй, Петер Демчук, Ричард Истер, Анна Холл, Кит Голдсмит, Шелли Голдстейн, Майкл Гордин, Джошуа Грин, Артур Гринспун, Гэвин Гуерра, Сандра Кауфман, Эдвард Кастенмайер, Роберт Крулвич, Андрей Линде, Шани Оффен, Маулик Парик, Майкл Поповитц, Мэриин Скалли, Джон Стэйчел и Ларс Стрэйтер прочитали всю рукопись или ее часть, их комментарии были исключительно полезны. Я получил большую помощь от бесед, в которых участвовали Андреас Альбрехт, Майкл Бассет, Шон Кэррол, Андреа Кросс, Рита Грин, Алан Гут, Марк Джексон, Дэниэл Кабат, Уилл Кинней, Джастин Хоури, Хирания Пэйрис, Сол Периматтер, Конрад Шалам, Пол Стейнхардт, Леонард Сасскайнд, Нейл Турок, Генри Туе, Уильям Вармус и Эрик Вайнберг. Я должен специально поблагодарить Рафаэля Гуннера, чей острый ум, проявившийся в точных аргументах, и чья готовность критиковать мои старания оказались неоценимы. Эрик Мартинец обеспечил важную и неустанную помощь на стадии издания книги, а Джейсон Северс проделал звездную работу по созданию иллюстраций. Я благодарю моих агентов, Катинку Мэтсон и Джона Брокмана. И я в большом долгу признательности моему издателю Марти Эшеру за постоянный источник поощрения, советов и резкого проникновения в суть, что в значительной степени улучшило качество изложения.
На протяжении моей карьеры мои научные исследования финансировались Департаментом Энергии, Национальным Научным Фондом и Фондом Альфреда П. Слоана. Я с благодарностью выражаю свою признательность за их поддержку.
I Арена реальности
1 Дороги к реальности
ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ И ПОЧЕМУ ВЕЩИ ТАКОВЫ, КАКОВЫ ОНИ ЕСТЬ
Книги в старом пыльном книжном шкафу моего отца не были под запретом. Однако, пока я рос, я никогда не видел, чтобы кто-нибудь вынимал их. Наиболее массивные тома – полная история цивилизации, серии томов великих произведений литературы вестерна, многих других я не могу уже вспомнить, – казались почти слившимися с полками, что слабо прогибались от десятилетий жесткой нагрузки. Но на подъеме к самой высокой полке был тонкий небольшой текст, который то и дело привлекал мои глаза, поскольку он казался слишком неуместным, как Гулливер среди бробдингнагцев. Оглядываясь назад, я не вполне могу вспомнить, почему я так долго выжидал, прежде чем ознакомиться с ним. Вообще, с годами книги кажутся в меньшей степени материалом, который ты прочитал, и в большей степени фамильной ценностью, которой ты восторгался издалека. В конце концов, такая почтительность дает путь к завершению юности. Я дотянулся до маленького текста, сдул с него пыль и открыл на первой странице. Первые несколько строк были, чтобы не сказать больше, поразительными.
"Имеется одна по-настоящему философская проблема и это самоубийство". Я содрогнулся. "Имеет или нет мир три измерения или разум девять или двенадцать категорий", продолжался текст, "проявится позже"; такие вопросы, объяснял текст, являются частью игры, в которую играет человечество, но они заслуживают внимания только после того, как будет определен правильный исход жизни. Книга была Миф о Сизифе и была написана философом алжирского происхождения и нобелевским лауреатом Альбером Камю. Со временем ледяное ощущение от этих слов растаяло под светом понимания. Да, конечно, думал я. Вы можете обдумывать ту или иную проблему или анализировать, что будет после дождичка в четверг, но настоящий вопрос заключается в том, будут ли убеждать вас все ваши размышления и анализы, что жизнь стоит того, чтобы быть прожитой.
Это значит, что все приходит к краху. Все другое – это мелочи.
Моя случайная удачная встреча с книгой Камю должна была произойти во время периода особой впечатлительности; его слова стоят передо мной более, чем любые другие, прочитанные мной. С течением времени я снова представлял себе, как разные люди, с которым я встречался, или о которых слышал или видел по телевизору, будут отвечать на этот главнейший из всех вопросов. Однако, ретроспективно, это второе утверждение Камю – относительно роли научного прогресса – является особым вызовом для меня. Камю признавал важность понимания структуры вселенной, но, как я уже говорил, он отвергал возможность, что такое понимание может внести изменение в нашу оценку ценности жизни. Конечно, мое юношеское чтение экзистенциальной философии было похоже на такое же извращение, как чтение романтической поэзии Бартом Симпсоном, но даже так заключение Камю потрясло меня и оставило отметину. Такому упертому физику, как я, кажется, что содержательная оценка жизни обязательно требует полного понимания арены жизни – вселенной. Я не забываю думать, что если бы наш вид обитал в пещерах, выходящих в скрытые глубокие подземелья и до сих пор только таким образом узнавал земную поверхность, алмазный солнечный свет, океанский бриз и звезды, что лежат сверху, или если бы эволюция происходила по другому пути и мы получали бы знания только из наших тактильных ощущений от непосредственного окружения, или если бы ментальные способности человека останавливались в своем развитии во время раннего детства, так что наши эмоциональные и аналитические умения не прогрессировали бы выше тех, что мы имеем в пятилетнем возрасте, – короче, если наш жизненный опыт рисовал бы нам лишь ничтожную часть портрета реальности, – наше определение стоимости жизни было бы совершенно подорвано. Когда бы мы нашли, в конечном счете, наш путь к земной поверхности, или когда мы, в конце концов, добыли бы способность видеть, слышать, чувствовать запахи и вкус, или когда бы, наконец, наш разум получил свободу развиваться, как он это делает обычно, наш коллективный взгляд на жизнь и космос неизбежно радикально изменился бы. Наше предыдущее ущербное понимание реальности осветилось бы совершенно иным светом на эти наиболее фундаментальные из всех философских вопросов.
Вы можете спросить, ну и что с того? Конечно, всякая взвешенная оценка должна привести к заключению, что хотя мы не можем понять всего о вселенной, – понять каждый аспект поведения материи или функции жизни, – мы причастны к прояснению ситуации, к украшению холста природы взмахами широкой кисти. Конечно, как объявил Камю, прогресс в физике, такой как понимание числа пространственных измерений, или прогресс в нейропсихологии, такой как понимание всех организационных структур мозга, или, коли на то пошло, прогресс в любом числе других научных дисциплин может осуществиться в важных деталях, но его влияние на нашу оценку жизни и реальности будет минимальным. Конечно, реальность есть то, что мы думаем о ней; ральность обнаруживается нами через наш опыт.
В той или иной степени многие из нас придерживаются этого взгляда на реальность, пусть даже неявно. Я определенно нахожусь в раздумьях об этом в повседневной жизни; легко обмануться, что лицо природы открывается непосредственно нашим чувствам. К тому же за десятилетия, прошедшие с первого знакомства с текстом Камю, я понял, что современная наука рассказывает очень разные истории. Обобщающий урок, который вытекает из расследования науки за последнее столетие, заключается в том, что человеческий опыт часто вводит в заблуждение, если руководствоваться им, двигаясь к правильной природе реальности. Прямо под поверхностью каждого дня лежит мир, который мы с трудом постигаем. Последователи оккультизма, посвященные астрологии и те, кто придерживается религиозных принципов, которые говорят о реальности вне опыта, с давних пор пришли к сходному заключению. Но это не то, что я имею в виду. Я ссылаюсь на работы изобретательных новаторов и неутомимых исследователей – мужчин и женщин науки, – которые слой за слоем снимают одежды космической луковицы, решают загадку за загадкой, и открывают вселенную, которая одновременно удивительна, непривычна, возбуждающа, элегантна и совершенно не похожа на то, что кто-либо мог ожидать.
Эти исследования разнообразны в деталях. Прорывы в физике вызывали и продолжают вызывать драматические изменения в нашей концепции космоса. Я остаюсь убежденным теперь, как был и десятки лет назад, что Камю справедливо выбрал стоимость жизни как основной вопрос, но понимание современной физики склонило меня к тому, что оценивание жизни через линзу повседневного опыта напоминает рассматривание Ван Гога через пустую бутылку колы. Современная наука подвергается одним нападкам за другими на основании умозаключений, сделанных из наших рудиментарных ощущений, часто дающих затуманенное представление о мире, в котором мы обитаем. Так что, когда Камю выделяет физические вопросы и обозначает их, как вторичные, я становлюсь убежденным, что они главные. Для меня физическая реальность как предоставляет арену, так и обеспечивает толкование для борьбы с вопросами Камю. Оценка существования при одновременном отказе от попытки воспользоваться пониманием современной физики похожа на борьбу в темноте с неизвестным противником. При углублении нашего понимания правильной природы физической реальности мы основательно перерабатываем наше ощущение самих себя и наше восприятие вселенной.
Центральной темой этой книги является объяснение некоторых из наиболее заметных и стержневых переосмыслений нашей картины реальности с особым вниманием на те из них, которые влияют на долгосрочный проект человечества по пониманию пространства и времени. От Аристотеля до Эйнштейна, от астролябии до Космического телескопа Хаббла, от пирамид до горных обсерваторий пространство и время придают форму мышлению с тех пор, как мышление началось. С наступлением эры современной науки их важность гигантским образом возросла. За последние три столетия разработки физики раскрыли пространство и время как наиболее сбивающие с толку и наиболее спорные концепции, и как наиболее эффективные концепции в нашем научном анализе вселенной. Эти разработки также показали, что пространство и время возглавляют список самых старых научных конструкций, которые фантастическим образом пересматриваются передовыми исследованиями.
Для Исаака Ньютона пространство и время просто были – они формировали инертную универсальную космическую платформу, на которой сами собой разыгрывались события вселенной. Для его современника и часто соперника Готфрида Вильгельма фон Лейбница "пространство" и "время" были только названиями отношений между тем, где были объекты и когда имели место события. Ничего более. Но для Альберта Эйнштейна пространство и время были сырым материалом, лежащим в основе реальности. Через свои теории относительности Эйнштейн потряс наши представления о пространстве и времени и раскрыл принципиальную роль, которую они играют в эволюции вселенной. С тех пор пространство и время постоянно являются сверкающим драгоценным камнем физики. Они одновременно привычны и мистичны; полное понимание пространства и времени стало для физиков самым пугающим вызовом и вожделенным призом.
Исследования, которые мы охватим в этой книге, сплетают ткань пространства и времени различными путями. Некоторые идеи будут настаивать, что свойства пространства и времени настолько основополагающие, что на столетия, если не на тысячелетия, они кажутся вне обсуждаемых вопросов. Другие будут искать связь между нашими теоретическими представлениями о пространстве и времени и характерными чертами, которые мы в целом знаем по опыту. Еще другие будут поднимать вопросы, не исследуемые в пределах границ обычного восприятия.
Мы только в минимальной степени будем говорить о философии (и совсем не будем о самоубийстве и смысле жизни). Но в нашем научном поиске для решения тайн пространства и времени мы будем непоколебимы и неудержимы. От мельчайшей частицы вселенной и самого раннего момента времени к ее удаленнейшим областям и самому отдаленному будущему мы будем исследовать пространство и время в окружающей среде, как привычной, так и отдаленной, с твердым взглядом отыскивая их правильную природу. Поскольку история пространства и времени еще только пишется полностью, мы не хотим выносить какие-либо окончательные оценки. Однако, мы столкнемся с сериями исследований – отчасти в высшей степени странными, отчасти более удовлетворительными, отчасти экспериментально проверенными, отчасти совершенно спекулятивными, – которые покажут, насколько близко мы подошли к вплетению нашего ума в ткань космоса и к прикосновению к правильной структуре реальности.
Классическая реальность
Историки расходятся в оценках, когда началась эра современной науки, но обычно о времени Галилео Галилея, Рене Декарта и Исаака Ньютона они говорят, что это было освежающее движение вперед. В те дни новое научное мышление прочно вышло на ведущие позиции, в то время как результаты, полученные в земных и астрономических опытах, делали все более ясным, что имеется порядок во всем, приходящим из космоса и уходящим в космос, порядок, пригодный для осторожных рассуждений и математического анализа. Эти первопроходцы современного научного мышления приводили аргументы, что если придерживаться правильного пути, происходящее во вселенной не только объяснимо, но и предсказуемо. Сила науки для предсказания аспектов будущего – согласованного и количественного – была раскрыта.