Страница 22 из 25
Возможно, конечно, что фундаментальные законы физики необратимы (хотя чуть позже мы приведем аргументы против). Однако если они все-таки обратимы, то низкая энтропия нашей Вселенной в момент Большого взрыва и около того оставляет нам, по сути, два основных варианта.
1. Большой взрыв действительно был началом Вселенной, моментом, когда появилось время. Это объясняется тем, что истинные законы физики разрешают существование границы пространства—времени, или тем, что «время» в нашем понимании — на самом деле всего лишь приближение, теряющее достоверность в окрестности Большого взрыва. В любом случае в самом начале у Вселенной была низкая энтропия по причинам, лежащим далеко за пределами динамических законов природы. И тогда нам требуется новый, независимый принцип, чтобы объяснить начальное состояние.
2. Такой вещи, как «изначальное состояние», не существует, потому что время вечно. При таком допущении то, что мы представляем себе как Большой взрыв, — это не начало Вселенной, хотя, несомненно, данное событие сыграло важную роль в истории нашей локальной области. Наблюдаемый нами отрезок пространства—времени должен быть каким-то образом вложен в большую картину. И способ этого вложения должен объяснить, почему энтропия была так низка на одном краю времени, не накладывая при этом никаких специальных условий на глобальное описание.
Какой из двух вариантов точнее описывает реальный мир, мы пока не знаем. Признаюсь честно, мне больше по душе второй вариант, ведь гораздо элегантнее выглядит история, в котором мир становится практически неизбежным результатом действия целой группы динамических законов и не требует дополнительного принципа, разъясняющего, почему он появился именно в таком виде. Для того чтобы превратить этот призрачный сценарий в достоверную космологическую модель, нам придется использовать в своих интересах загадочную энергию вакуума, которая господствует в нашей Вселенной. Однако мы не сможем этого сделать, пока не разберемся окончательно в искривлении пространства—времени и теории относительности. Пожалуй, этим стоит заняться прямо сейчас.
Часть II Время во Вселенной Эйнштейна
Глава 4 Время — штука личная
Время идет различным шагом с различными людьми.
Скажите «ученый» — и большинство людей сразу же вспомнят Эйнштейна. Альберт Эйнштейн — фигура культовая; многим ли физикам-теоретикам удавалось достичь такой степени известности, что их лица начинали печатать на футболках? Однако Эйнштейн — знаменитость далекая, пугающая. Большинство из тех, кто считает это имя знакомым, затрудняются назвать его конкретные достижения,[54] в отличие, например, от успехов Тайгера Вудса.[55] Нам всем знаком образ Эйнштейна как неуклюжего рассеянного профессора в мешковатом свитере и с всклокоченными волосами — образ человека, полностью посвятившего себя науке и равнодушного ко всему земному. А его работы — рассуждения об эквивалентности массы и энергии, искривлении пространства и времени и поиске окончательной теории — являют для нас вершину абстракции, бесконечно удаленную от каждодневных бытовых проблем.
Настоящий Эйнштейн куда интереснее этого устоявшегося образа. Во-первых, всклокоченный вид и прическа, как у Дона Кинга, стали фирменным стилем Эйнштейна уже в более позднем возрасте — вы вряд ли узнали бы знаменитого ученого в опрятном и ухоженном молодом человеке с пронзительным взором, не раз перевернувшем физику с ног на голову в начале XX века.[56] Во-вторых, теория относительности родилась не из пустых рассуждений о природе пространства и времени; ее источники кроются в абсолютно практичных задачах доставки людей и груза в правильное место в правильное время.
Рис. 4.1. Альберт Эйнштейн в 1912 году «Удивительным годом» для него стал 1905 год, а исследования по общей теории относительности дали первые ощутимые результаты в 1915 году.
Специальная теория относительности, объясняющая, каким образом скорость света может быть одной и той же для любых наблюдателей , появилась в самом начале XX века благодаря усилиям сразу нескольких исследователей. (Авторство общей теории относительности, которая интерпретирует гравитацию как результат искривления пространства— времени, практически всецело принадлежит Эйнштейну.) Крупнейший вклад в развитие специальной теории относительности внес французский математик и физик Анри Пуанкаре. Несмотря на то что именно Эйнштейн поставил окончательную точку, приняв, что «время», измеряемое любым движущимся наблюдателем, ничем не хуже «времени», измеряемого любым другим наблюдателем, оба ученых в своих исследованиях относительности пришли к очень похожим формальным выводам.[57]
Историк Питер Галисон в своей книге «Часы Эйнштейна, карты Пуанкаре: империя времени» («Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps: Empires of Time») излагает доводы в пользу того, что и на исследования Эйнштейна, и на исследования Пуанкаре одинаково повлияли как эзотерические размышления об архитектуре физики, так и обычные земные профессии ученых.[58] Эйнштейн в то время работал патентным клерком в Швейцарии, в Берне, где основной задачей считалось создание точных часов. Между европейскими городами вырастала сеть железных дорог, и решение проблемы синхронизации часов на больших расстояниях представляло огромный коммерческий интерес. Пуанкаре, будучи на два десятилетия старше, служил президентом французского Бюро долгот. Развитие морских перевозок и водных торговых путей требовало более точных методов определения долготы при нахождении в открытых водах — как для ориентирования отдельных кораблей, так и для составления точных карт.
И вот мы имеем то, что имеем: карты и часы. Пространство и время. В частности, теперь мы знаем, что важные вопросы — вовсе не «Где мы в действительности находимся?» или «Сколько сейчас в действительности времени?», а «Где мы находимся по отношению к другим объектам?» и «Какое время показывают наши часы?». Жесткое, абсолютное пространство и время ньютоновской механики превосходно согласуются с нашим интуитивным пониманием мира; теория относительности же требует перейти на совершенно иной уровень абстракции. Физикам, работавшим в начале прошлого столетия, удалось сделать этот критически важный шаг. Они поняли, что не следует пытаться запихнуть мир в рамки, навязываемые нашей интуицией, а нужно серьезно отнестись к тому, что поддается измерению реальными приборами.
Специальная теория относительности и общая теория относительности формируют основу современного представления о пространстве и времени, и в этой главе мы попробуем разобраться, что же скрывается за составляющей «время» в «пространстве—времени».[59] Мы постараемся ненадолго забыть и об энтропии, и о втором начале термодинамики, и о стреле времени, найдя прибежище в чистом, точном мире фундаментально обратимых законов физики. И все же без уверенного понимания теории относительности и понятия пространства—времени нам не удастся найти окончательное объяснение такого явления, как стрела времени.
Потерянные в пространстве
В дзэн-буддизме существует такая концепция, как «сознание начинающего»: состояние, в котором человек свободен от любых предрассудков и готов принимать мир таким, какой он есть. Можно долго спорить, реально ли достичь такого состояния и есть ли вообще смысл пытаться, однако сама концепция может оказаться весьма полезной при знакомстве с теорией относительности. Так что давайте забудем все, что, как нам кажется, мы знаем о времени во Вселенной, и проведем несколько мысленных экспериментов (о результатах которых нам известно на основании реальных опытов). Наша цель — понять, что нового теория относительности может сказать про время.
54
С другой стороны, какими достижениями объясняется популярность Пэрис Хилтон, остается не меньшей загадкой.
55
Элдрик Тонт (Тайгер) Вудс — знаменитый американский гольфист. — Примеч. ред.
56
В 1905 году — в свой «удивительный год» — Эйнштейн опубликовал серию работ, каждая из которых в отдельности способна была вознести карьеру практически любого ученого до невероятных высот: окончательная формулировка специальной теории относительности, объяснение фотоэлектрического эффекта (подразумевающее существование фотонов и закладывающее основы квантовой механики), построение теории броуновского движения в терминах случайных столкновений на атомном уровне и открытие эквивалентности массы и энергии. Большую часть следующего десятилетия он посвятил разработке теории гравитации; свой окончательный ответ — общую теорию относительности — Эйнштейн получил в 1915 году, когда ему было тридцать шесть лет. Скончался Эйнштейн в 1955 году в возрасте семидесяти шести лет.
57
Необходимо также вспомнить нидерландского физика Хендрика Антона Лоренца, который еще в 1892 году высказал идею о том, что время и расстояние для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, становятся иными, и разработал «преобразования Лоренца» — соотношения, устанавливающие связь между измерениями, полученными движущимися один относительно другого наблюдателями. Лоренц измерял скорости относительно некоего фона — эфира; Эйнштейн первым догадался, что эфир — ненужная выдумка.
58
Galison, P. Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps: Empires of Time. New York: W.W. Norton, 2003. По прочтении книги Галисона может создаться впечатление, что он находит работу Пуанкаре более интересной, чем исследования Эйнштейна. Тем не менее когда автору выпадает возможность поставить фамилию Эйнштейна в заглавие книги, она обычно оказывается на первом месте. Эйнштейн — залог успешных продаж.
59
Джордж Джонсон (Johnson, G. The Theory That Ate the World // New York Times, 2008, August 22, BR16) в своей рецензии на книгу Леонарда Сасскинда «Битва при черной дыре» (Susskind, L. The Black Hole War: My Battle with Stephen Hawking to Make the World Safe for Quantum Mechanics. New York: Little, Brown, 2008) жалуется на несчастную судьбу современного читателя научно-популярных книг по физике: «Мне не терпелось узнать, каким же образом Сасскинд и компания показали, что Хокинг, вероятно, не совсем прав, — что информация действительно сохраняется. Однако для начала мне пришлось пройти 66-страничный ускоренный курс теории относительности и квантовой механики. Создается впечатление, что без этого не обходится ни одна книга о современной физике, — а каково тем, кто интересуется темой и прочитал куда больше одной? (Представьте себе, что в предвыборной кампании президента каждое выступление начинается с доклада об истоках афинской демократии и наследии французского просвещения.)» Решение очевидно: основы теории относительности и квантовой механики должны входить в стандартный курс среднего образования наравне с истоками афинской демократии и наследием французского просвещения, а до тех пор эта глава будет служить частью неизбежного ускоренного курса. Хорошие новости: мы в основном сосредоточимся на роли «времени» и, таким образом, постараемся избежать в своих рассуждениях избитых истин и банальных аналогий.