Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
С кан и рован и е и ф орм ати рован и е: Я н ко С лава (Б и бли отека Fort/Da) ||
[email protected] ||
[email protected] || http://yanko.lib.ru || Icq# 75088656 || Б и бли отека: http://yanko.lib.ru/gum.html || Н ом ера стран и ц - вверху update 06.07.06
Х ок и н г, С . К р атч ай ш ая и стор и я в р ем ен и
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
У Д К 524.8 Б Б К 22.68 X 70 STEPHEN HAWKING & LEONARD MLODINOW A Briefer History of Time П еревел с ан гли й ского Б аки дж ан О ралбеков Н аучн ы й редактор А . Г . С ергеев И здат ельст во вы раж ает благодарност ь лит ерат урны м агент ст вам Writers House LLC и Synopsis за содейст вие в приобрет ении прав Защ ит у инт еллект уальной собст венност и и прав издат ельской группы «А м ф ора» осущ ест вляет ю ридическая ком пания «У сков и П арт неры »
Х ок и н г, С . X 70 К ратчай ш ая и стори я вр ем ен и / С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов ; [п ер. с ан гл. Б . О ралбекова п од ред. А . Г . С ергеева]. — С П б. : А м ф ора. Т И Д А м ф ора, 2006. - 180 с. ISBN 5-367-00164-5 (рус.) ISBN 0-553-80436-7 (ан гл.) П ри род е п ростран ства и врем ен и , п рои схож д ен и ю В селен н ой п освящ ен а эта н аучн о-п оп ул ярн ая кн и га зн ам ен и того ан гли й ского астр оф и зи ка С ти вен а Х оки н га, н ап и сан н ая в соавторстве с п оп ул яри затором н ауки Л еон ардом М лоди н овы м . Э то н овая верси я всем и рн о и звестн ой «К раткой и стори и врем ен и », п оп олн ен н ая п ослед н и м и дан н ы м и косм ол о ги и , п оп ы тка ещ е п рощ е и п он ятн ее и злож и ть сам ы е слож н ы е теори и . У Д К 524.8 Б Б К 22.68
ISBN 5-367-00164-5 (рус.) IS B N 0 -553-80436-7 (ан гл.) © Stephen Hawking, 2005 © И здан и е н а русском язы ке. ЗА О Т И Д «А м ф ора», 2006
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Э л ек тр он н ое огл авл ен и е Contents Э л ек тр он н ое огл ав л ен и е ........................................................................................................5 • П р еди сл ов и е •........................................................................................................................ 7 • Г л ав а п ер в ая • Р А ЗМ Ы Ш Л Я Я О В С Е Л Е Н Н О Й ............................................................. 8 • Г л ав а в тор ая • Р А ЗВ И Т И Е К А Р Т И Н Ы М И Р А ............................................................. 10 Р и с. 1. С уд н о, п ри бли ж аю щ ееся и з-за гори зон та. ...................................................................... 10 Р и с. 2. М одель П тол ем ея............................................................................................................. 12
• Г л ав а тр еть я • С У Т Ь Н А У Ч Н Ы Х Т Е О Р И Й .................................................................. 14 Р и с. 3. А том ы и галакти ки ........................................................................................................... 16
• Г л ав а ч етв ер тая • В С Е Л Е Н Н А Я Н Ь Ю Т О Н А ................................................................ 18 Р и с. 4. Г рави тац и он н ое п ри тяж ен и е составн ы х тел. .................................................................. 19 Р и с. 5. О тн оси тельн ость расстоян и я. .......................................................................................... 21
• Г л ав а п я тая • О Т Н О С И Т Е Л Ь Н О С Т Ь ............................................................................ 22 Р и с. 6. С корость света и м ом ен ты затм ен и й сп утн и ков Ю п и тера.............................................. 22 Р и с. 7. Д ли н а волн ы ..................................................................................................................... 23 Р и с. 8. Р азли чн ы е скор ости тен н и сн ого ш ари ка......................................................................... 25 Р и с. 9. К оорди н аты в п ростран стве............................................................................................. 27
• Г л ав а ш естая • И С К Р И В Л Е Н Н О Е П Р О С Т Р А Н С Т В О ................................................. 29 Р и с. 10. Р асстоян и я н а зем н ом ш аре. .......................................................................................... 29 Р и с. 11. Т раектори я тен и косм и ческого корабля. ....................................................................... 31 Р и с. 12. П рец есси я орби ты М еркур и я......................................................................................... 32 Р и с. 13. И скри влен и е л уч ей света вбли зи С олн ц а. ..................................................................... 33
• Г л ав а седь м ая • Р А С Ш И Р Я Ю Щ А Я С Я В С Е Л Е Н Н А Я ................................................ 37 Р и с. 14. Звездн ы й п араллакс........................................................................................................ 37 Р и с. 15. Звездн ы й сп ектр. ............................................................................................................ 39 Р и с. 16. С п ектр и злучен и я черн ого тела. .................................................................................... 40 Р и с. 17. Э ф ф ект Д оп лера............................................................................................................. 41 Р и с. 18. И зотроп н ы й лес.............................................................................................................. 43 Р и с. 19. Р асш и ряю щ аяся В сел ен н ая возд уш н ого ш ара. ............................................................. 45
• Г л ав а в ось м ая • Б О Л Ь Ш О Й В ЗР Ы В , Ч Е Р Н Ы Е Д Ы Р Ы И Э В О Л Ю Ц И Я В С Е Л Е Н Н О Й ........................................................................................................................ 48 Р и с. 20. Р авн овеси е ф отон ов и электрон -п ози тр он н ы х п ар........................................................ 50 Р и с. 21. П уш ечн ое ядр о п ри скорости , м ен ьш ей и больш ей скорости убеган и я. ...................... 53 Р и с. 22. Г рави тац и он н ы е си лы .................................................................................................... 55
• Г л ав а дев я тая • К В А Н Т О В А Я Г Р А В И Т А Ц И Я .............................................................. 58 Р и с. 23. «С ам ы й слабы й » свет..................................................................................................... 60 Р и с. 24. «Р азм азан н ое» кван товое п ол ож ен и е. ........................................................................... 62 Р и с. 25. В олн ы , н аходящ и еся в п роти воф азе и совп адаю щ и е п о ф азе....................................... 63 Р и с. 26. П ути световы х волн и и н терф ерен ц и я........................................................................... 64 Р и с. 27. Р асп ределен и е электр он ов. ............................................................................................ 65 Р и с. 28. В олн ы н а атом н ы х орби тах............................................................................................ 66 Р и с. 29. М н ож ество траектори й электр он а в эксп ери м ен те с двум я щ елям и ............................. 67
• Г л ав а деся тая • К Р О Т О В Ы Е Н О Р Ы И П У Т Е Ш Е С Т В И Я В О В Р Е М Е Н И ................ 70 Р и с. 30. А вторы в м аш и н е врем ен и ............................................................................................. 71 Р и с. 31. К ротовая н ора................................................................................................................. 74 Р и с. 32. А н ти части ц а п о Ф ей н м ан у............................................................................................. 76
• Г л ав а оди н н адц атая • С И Л Ы П Р И Р О Д Ы И О Б Ъ Е Д И Н Е Н И Е Ф И ЗИ К И ................. 78 Р и с. 33. О бм ен части ц ам и............................................................................................................ 79 Р и с. 34. Ф ей н м ан овская ди аграм м а ви ртуальн ой п ары части ц а-ан ти части ц а. .......................... 82 Р и с. 35. Д иаграм м ы Ф ей н м ан а в теори и стр ун . .......................................................................... 85 С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/ Р и с. 36. В аж н ость сущ ествован и я трех и зм ерен и й ..................................................................... 88
• Г л ав а дв ен адц атая • ЗА К Л Ю Ч Е Н И Е .............................................................................. 92 Р и с. 37. О т баш н и и з череп ах к и скри влен н ом у п ростран ству. Д ревн яя и соврем ен н ая «карти н ы м и ра». .......................................................................................................................... 92
• А л ь бер т Э й н ш тей н •........................................................................................................... 95 • Г ал и л ео Г ал и л ей • .............................................................................................................. 96 • И саак Н ь ю тон •................................................................................................................... 97 • С л ов ар ь тер м и н ов •............................................................................................................ 98 • О гл ав л ен и е •...................................................................................................................... 101
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• П р еди сл ов и е • В сего четы ре б уквы отли чаю т н азван и е это й кн и ги о т заго ло вка то й , что бы ла вп ервы е о п убли ко ван а в 1988 го д у. «К раткая и сто ри я врем ен и » 237 н едель о ставалась в сп и ске бестселлеро в ло н до н ско й «С ан ди тай м с», каж ды й 750 -й ж и тель н аш ей п лан еты , взро слы й и ли ребен о к, п ри о брел ее. Зам ечательн ы й усп ех для кн и ги , п о свящ ен н о й сам ы м слож н ы м п ро блем ам соврем ен н о й ф и зи ки . В п ро чем , это н е то лько са м ы е слож н ы е, н о и сам ы е во лн ую щ и е п ро блем ы , п о то м у что о н и адресую т н ас к ф ун дам ен тальн ы м во п ро сам : что н ам дей стви тельн о и звестн о о В селен н ой , как м ы о брели это зн ан и е, о ткуда п ро и зош ла В селен н ая и куд а дви ж ется? Д ан н ы е воп ро сы со ставляли главн ы й п редм ет «К ратко й и сто ри и врем ен и » и стали ф о кусо м н асто ящ ей кн и ги . С п устя го д п о сле п убли кац и и «К р атко й и сто ри и врем ен и » н ачали п о ступ ать о ткли ки о т чи тателей всех во зрастов и п ро ф есси й со всего м и ра. М н о ги е и з н и х вы сказы вали п о ж елан и е, что бы уви дела свет н овая верси я кн и ги , ко то рая, со хран и в суть «К ратко й и сто ри и врем ен и », о бъ ясн яла бы н аи бо лее важ н ы е п он яти я бо лее п ро сто и зан и м ательн о . Х о тя ко е -кто , п о -ви ди м ом у, о ж и дал, что это б удет «П ро стран н ая и сто ри я врем ен и », отзы вы 6
чи тателей н едвусм ы слен н о п о казы вали : о чен ь н ем н о ги е и з н и х ж аж дут п о зн аком и ться с о бъ ем и сты м трактато м , и злагаю щ и м п редм ет н а уро вн е ун и верси тетско го кур са ко см о ло ги и . П о это м у, рабо тая н ад «К ратчай ш ей и сто ри ей врем ен и », м ы со хран и ли и даж е расш и ри ли о сн о воп о лагаю щ ую суть п ерво й кн и ги , н о п о старали сь в то ж е врем я о стави ть н еи зм ен н ы м и ее о бъ ем и до ступ н о сть и злож ен и я. Э то и в сам о м деле крат чайш ая и сто ри я, п о ско льку н еко то ры е сугубо техн и чески е асп екты н ам и о п ущ ен ы , о дн ако, как н ам п редставляется, дан н ы й п ро бел с ли хво й во сп о лн ен бо лее глубо ко й трактовко й м атери ала, ко то ры й п ои сти н е со ставляет сердц еви н у кн и ги . М ы такж е во сп о льзо вали сь возм о ж н о стью обн о ви ть сведен и я и вклю чи ть в кн и гу н овей ш и е тео рети чески е и эксп ери м ен тальн ы е дан н ы е. «К ратчай ш ая и сто ри я врем ен и » о п и сы вает п рогресс, кото ры й бы л д о сти гн ут н а п ути со здан и я п о лн ой о бъ еди н ен н о й тео ри и за п о следн ее врем я. В частн о сти , о н а касается н овей ш и х п оло ж ен и й тео ри и струн , ко рп ускулярн о -во лн о вого дуали зм а и вы являет связь м еж д у разли чн ы м и ф и зи чески м и тео ри ям и , сви детельствую щ ую , что о бъ еди н ен н ая тео ри я сущ ествует. Ч то ж е касается п ракти чески х и сследо ван и й , кн и га со держ и т важ н ы е результаты п о следн и х н аблю ден и й , п о лучен н ы х, в частн о сти , с п о м ощ ью сп утн и ка С О В Е (Cosmic Background Explorer — «И ссл едо ватель ф он о вого ко см и ческого и злучен и я») и ко см и чес кого телеско п а Х аббла. О ко ло со ро ка лет то м у н азад Р и чард Ф ей н м ан сказал: «М ы счастли вы , что ж и вем в эп о ху, ко гда все ещ е соверш аем откры ти я. Э то сро дн и о ткры ти ю А м ери ки : п о до бн о е сл учается ли ш ь о дн аж ды . В ек, в ко то ры й м ы ж и вем , — это век, в кото ро м м ы о тк ры ваем ф ун дам ен тальн ы е зако н ы п ри ро ды ». С его дн я м ы бли ж е чем ко гда -ли бо п о до ш ли к п о сти ж ен и ю п ри ро ды В селен н о й . И авто рам это й кн и ги хо тело сь п о дели ться азарто м о ткры ти й , п о казать н о вую карти н у реальн о сти , ко то рая ещ е только склады вается.
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• Гл ава п ер вая • РА ЗМ Ы Ш Л Я Я О В С Е Л Е Н Н О Й М ы ж и вем в стран н о й и зам ечательн о й В селен н о й . Н ео рди н арн о е воо браж ен и е треб уется, что бы о ц ен и ть во зраст ее, разм еры , н еи стовство и даж е красо ту. М есто , зан и м аем о е лю дьм и в это м безгран и чн о м ко см о се, м о ж ет п о казаться н и что ж н ы м . И вс е ж е м ы п ы таем ся п он ять, как устро ен весь это т м и р и как м ы , лю ди , см о три м ся в н ем . Н еско лько десяти лети й н азад и звестн ы й учен ы й (н екото ры е го во рят, что это бы л Б ертран Р ассел) вы ступ ал с п убли чн о й лекц и ей п о астро н ом и и . О н рассказал, что Зем ля о бращ ается во круг С о лн ц а, а о н о, в сво ю о чередь, — во круг ц ен тра о бш и рн о й звездн о й си стем ы , н азы ваем о й н аш ей Г алакти ко й . В кон ц е лекц и и м ален ькая п ож и лая леди , си девш ая в задн и х рядах, встала и заяви ла: — В ы рассказы вали н ам здесь п о лн ую ер ун д у. В дей стви тельн о сти м и р — это п ло ская п ли та, п о ко ящ аяся н а сп и н е ги ган тско й череп ахи . У лы бн увш и сь с чувство м п рево схо дства, учен ы й сп ро си л: — А н а чем сто и т череп аха? 8
— В ы о чен ь ум н ы й м о ло до й человек, о чен ь, — о твети ла старая леди . — О н а стои т н а др уго й череп ахе, и так дальш е, до беско н ечн о сти ! С его дн я бо льш и н ство лю дей н аш ло бы до во льн о см еш н ой такую карти н у В сел ен н о й , эту н еско н чаем ую баш н ю и з череп ах. Н о что заставляет н ас д ум ать, будто м ы зн аем бо льш е? Заб удьте н а м и н уту то , что вы зн аете — и ли дум аете, что зн аете, — о ко см о се. В гляди тесь в н о чн о е н ебо . Ч ем п редставляю тся вам все эти светящ и еся то чки ? М о ж ет, это кро ш ечн ы е о гон ьки ? Н ам трудн о догадаться, чем о н и в дей стви тельн о сти являю тся, п о том у что эта дей стви тельн о сть сли ш ком далека о т н аш его п овседн евн о го о п ы та. Е сли вы часто н аблю даете за н о чн ы м н ебо м , то, веро ятн о, зам ечали в сум ерках н ад сам ы м го ри зон то м уско льзаю щ ую и ско рку света. Э то М еркури й , п лан ета, рази тельн о о тли чаю щ аяся о т н аш ей со бствен н ой . С утки н а М еркури и длятся две трети его го да. Н а со лн ечн о й сто ро н е тем п ература заш кали вает за 400°С , а глубо ко й н о чью п адает п о чти до — 200°С . Н о как бы н и о тли чался М еркури й о т н аш ей п лан еты , ещ е трудн ее во о брази ть о бы кн о вен н ую звезд у — ко ло ссальн о е п екло, еж есекун дн о сж и гаю щ ее м и лли он ы тон н вещ ества и разогрето е в ц ен тре д о десятко в м и лли он о в град усо в. Д р угая вещ ь, ко то рая с трудо м уклады вается в го ло ве, это рассто ян и я до п лан ет и звезд. Д ревн и е ки тай ц ы стро и ли кам ен н ы е баш н и , что бы уви деть и х п о бли ж е. В п о лн е естествен н о счи тать, что звезды и п лан еты н ахо дятся н ам н о го бли ж е , чем в дей стви тельн о сти , — ведь в п о вседн евн ой ж и зн и м ы н и ко гда н е со п ри касаем ся с гро м адн ы м и ко см и чески м и рассто ян и ям и . Р ассто ян и я эти н астолько вели ки , что н ет см ы сла вы раж ать и х в п ри вы чн ы х еди н и ц ах — м етрах и ли ки ло м етрах. В м есто н и х и сп ользую тся свето вы е го ды (свето вой го д — п уть, ко то ры й свет п ро хо ди т за го д). За о дн у секун д у л уч света п рео до левает 300 000 ки ло м етров, так что свето во й го д — это о чен ь бо льш о е рассто ян и е. Б ли ж ай ш ая к н ам (п о сле С о лн ц а) звезда — П ро кси м а Ц ен тавра — уд ален а п ри м ерн о н а ч еты ре свето вы х го да. Э то так далеко , что сам ы й бы стры й и з п ро екти руем ы х н ы н е ко см и чески х ко раблей летел бы к н ей о ко ло десяти ты сяч лет. Е щ е в древн о сти лю ди п ы тали сь п о сти чь п ри ро д у В сел ен н о й , н о о н и н е о бладали возм о ж н о стям и , кото ры е о ткры вает со врем ен н ая н аука, в частн о сти м атем ати ка. С его дн я м ы расп о лагаем м ощ н ы м и и н струм ен там и : м ы сли тельн ы м и , таки м и как м атем ати ка и н аучн ы й м ето д п озн ан и я, и техн оло ги чески м и , вро де ко м п ью теро в и телескоп о в. С и х п о м ощ ью учен ы е С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
со брали во еди н о о гром н о е ко ли чество сведен и й о ко см о се. Н о что м ы дей стви тельн о зн аем о В селен н о й и как м ы это узн али ? О ткуда о н а п о яви лась? В како м н ап равлен и и разви вается? И м ела ли н ачало , а если и м ела, что бы ло до н его ? К ако ва п ри ро да врем ен и ? П ри дет ли ем у ко н ец ? М о ж н о ли верн уться н азад во вр ем ен и ? Н едавн и е кр уп н ы е ф и зи чески е о ткры ти я, сделан н ы е отчасти благо даря н овы м техн о ло ги ям , п редлагаю т о тветы н а н еко то ры е и з эти х давн и х во п ро сов. В о зм ож н о , ко гда-н и будь эти о тветы стан ут сто ль ж е о чеви дн ы м и , как о бращ ен и е Зем ли вокр уг С о лн ц а, — и ли , бы ть м ож ет, сто ль ж е курьезн ы м и , как баш н я и з череп ах. Т о лько врем я (чем бы о н о н и бы ло ) это п о каж ет. 9
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• Гл ава втор ая • РА ЗВ И Т И Е К А Р Т И Н Ы М И РА Х о тя даж е в эп о ху Х ри сто ф о ра К о лум ба м н оги е п о лагали , что Зем ля п ло ская (и сего дн я ко е-кто все ещ е п ри держ и вается этого м н ен и я), со врем ен н ая астрон о м и я ухо ди т ко рн ям и во врем ен а древн и х греков. О ко ло 340 г. до н . э. древн егречески й ф и ло со ф А ри сто тель н ап и сал со чи н ен и е «О н ебе», где п ри вел вески е аргум ен ты в п о льзу то го, что Зем ля ско рее является сф ерой , а н е п ло ской п л и той . О дн и м и з аргум ен то в стали затм ен и я Л ун ы . А ри сто тель п он ял, что и х вы зы вает Зем ля, ко то рая, п ро хо дя м еж д у С о лн ц ем и Л ун о й , о тбрасы вает тен ь н а Л ун у. А ри сто тель зам ети л, что тен ь Зем ли всегда кр углая. Т ак и до лж н о бы ть, если Зем ля — сф ера, а н е п ло ски й ди ск. И м ей Зем ля ф о рм у ди ска, ее тен ь бы ла бы кр угло й н е всегда, н о только в те м ом ен ты , когда С о лн ц е о казы вается то чн о н ад ц ен тром ди ска. В о стальн ы х случаях тен ь удли н ялась бы , п ри н и м ая ф о рм у элли п са (элли п с — это вы тян утая о круж н о сть). С во е уб еж ден и е в том , что Зем ля кр углая, древн и е греки п о дкреп ляли и други м до во до м . Б удь о н а п ло ско й , и дущ ее к н ам 11
судн о сн ачала казало сь бы крош ечн о й , н евы рази тельн о й то чко й н а го ри зо н те. П о м ере его п ри бли ж ен и я п ро ступ али бы детали — п ар уса, ко рп ус. О дн ако все п ро и схо ди т и н аче. К о гда судн о п о является н а го ри зон те, п ерво е, что вы ви ди те, — это п аруса. Т о лько п о том ваш ем у взгляду о ткры вается ко рп ус. Т о о бстоятельство , что м ачты , во звы ш аю щ и еся н ад ко рп усо м , п ервы м и п о являю тся и з-за го ри зо н та, сви детельствует о то м , что Зем ля и м еет ф о рм у ш ара (ри с. 1). Д ревн и е греки м н ого вн и м ан и я уделяли н абл ю ден и ям за н о чн ы м н ебо м . К о врем ен и А ри сто теля вот уж е н еско лько сто лети й вели сь зап и си , о тм ечаю щ и е п ерем ещ ен и е н ебесн ы х свети л. Р и с. 1. С удн о, п р и бл и ж аю щ ееся и з-за гор и зон та. Б лагод аря том у что Зем ля и м еет ф орм у ш ара, м ачты и п аруса судн а п оявляю тся и з-за гори зон та ран ьш е, чем корп ус.
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
12
Б ы ло зам ечен о , что среди ты сяч ви ди м ы х звезд, ко то ры е дви гали сь все вм есте, п ять (н е счи тая Л ун ы ) п ерем ещ али сь сво и м , о со бы м м ан еро м . И н о гда о н и о ткло н яли сь о т о бы чн ого н ап равлен и я с во сто ка н а зап ад и п яти ли сь н азад. Э ти свети ла н азвали планет ам и, что в п ерево де с греческого о зн ачает «бл уж д аю щ и й ». Д ревн и е греки н аблю дали то лько п ять п лан ет: М еркури й , В ен ер у, М арс, Ю п и тер и С атурн , п о то м у что то лько и х м ож н о уви деть н евоо руж ен н ы м глазо м . С его дн я м ы зн аем , п о чем у п лан еты дви ж утся п о таки м стран н ы м траекто ри ям . Е сли звезды п о чти н е п ерем ещ аю тся п о о тн ош ен и ю к С о лн ечн о й си стем е, п лан еты о бращ аю тся во круг С о лн ц а, п о это м у и х п уть п о н о чн о м у н еб у вы гляди т го раздо слож н ее дви ж ен и я далеки х звезд. А ри сто тель счи тал, что Зем ля н еп о дви ж н а, а С о лн ц е, Л ун а, п лан еты и звезды вращ аю тся во круг н ее п о круго вы м о рби там . О н вери л в это, п о лагая, в си лу м и сти чески х п ри чи н , что Зем ля — ц ен тр В селен н ой , а кругово е дви ж ен и е — сам о е соверш ен н о е. В о вто ро м веке н аш ей эры др уго й гречески й учен ы й , П то лем ей , разви л эту и дею , п о стро и в всео бъ ем лю щ ую м о дель н ебесн ы х сф ер. П то лем ей бы л увлечен н ы м и сследователем . «К о гда я и зуч аю сп и рали дви ж ен и я звезд, — п и сал о н , — я уж е н е касаю сь н огам и зем ли ». В м о дели П то лем ея Зем лю о кр уж али во сем ь вращ аю щ и хся сф ер. К аж дая след ую щ ая сф ера бо льш е п реды д ущ ей — п о до бн о русски м м атреш кам . Зем ля п о м ещ ается в ц ен тре. Ч то и м ен н о леж и т за гран и ц ей п о следн ей сф еры , н и ко гда н е уто чн яло сь, н о это о п ределен н о бы ло н едо ступ н о чело веческом у н абл ю ден и ю . Т ак что сам ую дальн ю ю сф ер у счи тали сво его ро да гран и ц ей , вм ести ли щ ем В селен н о й . П редп олагало сь, что звезды зан и м аю т н а н ей ф и кси ро ван н ы е м еста, так что п ри вращ ен и и это й сф еры он и дви ж утся п о н еб у все вм есте, со хран яя взаи м орасп о ло ж ен и е, — что м ы и н аблю даем . Н а вн утрен н и х сф ерах разм ещ аю тся п лан еты . В отли чи е о т звезд, о н и н е закреп лен ы ж естко , а дви ж утся о тн о си тельн о сво и х сф ер п о н ебо льш и м о кр уж н о с 13
тям , н азы ваем ы м эпициклам и. Э то вращ ен и е вкуп е с вращ ен и ем п лан етн ы х сф ер и делает дви ж ен и е п лан ет о тн о си тельн о Зем ли таки м сло ж н ы м (ри с. 2). Э ти м п о стро ен и ем П то лем ей сум ел о бъ ясн и ть, п о чем у н аблю даем ы е п ути п лан ет п о звездн ом у н еб у го раздо сло ж н ее кр уго вы х. М о дель П то лем ея п о зво ляла с до стато чн о й то чн о стью п редс казы вать п о лож ен и я свети л н а н ебе. Н о ради это го П то лем ей вы н уж ден бы л до п усти ть, что в н еко то ры е м ом ен ты Л ун а, след уя п о сво ем у п ути , п о дхо ди т к Зем ле вдво е бли ж е, чем в и н о е врем я. А это зн ачи т, что в таки е м ом ен ты Л ун а до лж н а
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Р и с. 2. М одел ь П тол ем ея . В м одели П толем ея Зем ля является ц ен тр ом В селен н ой , заклю чен н ы м вн утри восьм и сф ер, н а которы х разм ещ аю тся все н ебесн ы е тела.
14
казаться вдво е круп н ее! П то лем ей зн ал это т н едо стато к сво ей си стем ы , и все ж е о н а п о лучи ла ш и ро ко е, хо тя и н е всео бщ ее п ри зн ан и е. Х ри сти ан ская ц ерко вь со чла эту карти н у м и ра соо тветствую щ ей С вящ ен н ом у П и сан и ю , п о ско льку о н а о ставляла до стато чн о м еста для рая и ада за п ределам и сф еры н еп о дви ж н ы х звезд — н ем ало е п реи м ущ ество . О дн ако в 1514 г. п о льски й кан о н и к Н и ко лай К о п ерн и к п редлож и л др угую м о дель м и ра. (С н ачала, возм о ж н о и з страха п ро слы ть ерети ко м , К о п ерн и к расп ро стран ял сво ю тео ри ю ан о н и м н о.) Р ево лю ц и о н н ая и дея К о п ерн и ка со сто яла в то м , что н е все н ебесн ы е тела до лж н ы вращ аться во круг Зем ли . О н утверж дал, что Зем ля и п лан еты о бращ аю тся п о кр уго вы м о рби там во круг н еп о дви ж н о го С о лн ц а, п о ко ящ его ся в ц ен тре С о лн ечн о й си стем ы . П о до бн о м о дели П то лем ея, тео ри я К о п ерн и ка рабо тала хо ро ш о, н о все ж е н е п о лн о стью соо тветствовала н аблю ден и ям . Е е о тн о си тельн ая п ро сто та — в сравн ен и и м о делью П то лем ея, — казало сь бы , сули ла бы стры й усп ех. О дн ако п ро ш ло п о чти сто лети е, п реж де чем ее п ри н яли всерьез 1. Д ва астро н ом а — н ем ец И оган н К еп лер и и тальян ец Г али лео Г али лей — о ткры то встали н а сто ро н у тео ри и К о п ерн и ка. В 1609 г. Г али лей н ачал н аблю дать н о чн о е н ебо п ри п о м ощ и и зо бретен н ого 2 и м телеско п а. П о см отрев н а Ю п и тер, о н 1
П он ачал у теори я К оп ерн и ка зн ачи тельн о уступ ала в точн ости теори и П тол ем ея. К ром е того, гели оц ен три ческая м одель м и ра п роти воречи ла общ еп ри зн ан н ой в то врем я ф и зи ке А ри стотеля. С ам К оп ер н и к н и когда н е утверж дал, что его теор и я — оп и сан и е реальн ого дви ж ен и я н еб есн ы х тел, а п редлагал ее ли ш ь как б олее уд об н ы й сп особ вы п олн ен и я расч етов. П оэтом у задерж ки с ее п ри зн ан и ем вп олн е объ ясн и м ы . П он адоби л и сь н аблю ден и я Т и хо Б раге, расчеты К еп л ера и эксп ери м ен ты Г али лея, которы е оп р овергли ари стотелевскую ф и зи ку, чтобы теори я К оп ерн и ка м огла п ол учи ть ш и р окое п ри зн ан и е. — Здесь и далее прим еч. науч. ред. 2 С трого говоря, Г али лей н е является и зобретател ем телескоп а. О н зн ачи тельн о усоверш ен ствова л п ри д ум ан н ую в Г оллан ди и п одзорн ую тр уб у, н о, главн ое, догадался н ап рави ть ее н а н ебесн ы е тела, С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
благодаря чем у сделал ц елы й ряд н еож и дан н ы х откры ти й , обн аруж и в горы н а Л ун е, п ятн а на С олн ц е, ф азы В ен еры , сп утн и ки Ю п и тера, кольц а С атурн а. 15
о бн аруж и л, что эту п лан ету со п ро вож даю т н еско лько м ален ьки х сп утн и ко в, о бращ аю щ и хся во круг н ее. Э то указы вало, что н е все н ебесн ы е тела о бращ аю тся во круг Зем ли , как счи тали А ри сто тель и П то лем ей . В то ж е сам о е врем я К еп лер усо верш ен ство вал тео ри ю К о п ерн и ка, п редп о лож и в, что п лан еты дви ж утся н е п о о круж н о стям , а п о элли п сам . С учето м это й п оп равки п редсказан и я тео ри и н ео ж и дан н о в то чн о сти со вп али с н аблю ден и ям и . О ткры ти я Г али лея и К еп лера стали см ертельн ы м и уд арам и для п то лем еевско й м о дели . Х о тя п редп о лож ен и е о б элли п ти ческой ф о рм е о рби т п озво ли ло усо верш ен ство вать м о дель К о п ерн и ка, сам К еп лер счи тал его ли ш ь средство м п о дго н ки тео ри и п о д н аблю ден и я. У м о м его владели п редвзяты е, ум озри тельн ы е и деи о б устро й стве п ри ро ды . П о до бн о А ри стотелю , К еп лер счи тал элли п сы м ен ее со вер ш ен н ы м и ф и гурам и , чем о круж н о сти . М ы сль о то м , что п лан еты дви ж утся п о таки м н есоверш ен н ы м о рби там , н асто лько п рети ла ем у, что о н н е п ри зн авал ее о кон чательн о й и сти н о й . Б есп о ко и ло К еп лера и др уго е: п редставлен и е о б элли п ти чески х о рби тах бы ло н есовм ести м о с его и деей о том , что п лан еты о бращ аю тся во круг С о лн ц а п о д дей стви ем м агн и тн ы х си л. И хо тя тези с К еп лера о том , что м агн и тн ы е си лы о бусло вли ваю т вращ ен и е п лан ет, о казался ош и бо чн ы м , н ельзя н е п ри зн ать п ро зрен и ем ту его м ы сль, что н екая си ла о тветствен н а за дви ж ен и е н ебесн ы х тел. П рави льн о е о бъ ясн ен и е то го, п о чем у п лан еты о бращ аю тся во кр уг С олн ц а, п о яви ло сь н ам н о го п о зж е, в 1687 г., когда И саак Н ью то н о п убли ко вал сво и «М атем ати чески е н ачал а н атуральн о й ф и ло со ф и и », веро ятн о сам ы й зн ачи тельн ы й и з когда -ли бо и здан н ы х ф и зи чески х тр удо в. В «Н ачалах» Н ью то н сф о рм ули ро вал зако н , согласн о ко то ро м у всяко е н еп о дви ж н о е тело о стается в п о ко е, п о ка это со сто ян и е н е н аруш и т какая -ли бо си ла, и о п и сал, как п о д во здей стви ем си лы тело дви ж ется и ли м ен яет сво е дви ж ен и е. 16
И так, п о чем у ж е п лан еты дви ж утся п о элли п сам во круг С о лн ц а? Н ью то н заяви л, что за это ответствен н а сп ец и ф и ческая си ла, и утверж дал, что это та ж е сам ая си ла, что вы н уж дает п редм еты п адать н а Зем лю , а н е оставаться в п о ко е, ко гда м ы и х о тп ускаем . О н н азвал эту си л у гравит ацией. (П реж де, до Н ью то н а, ан гли й ско е сло во gravity о зн ачало серьезн о е н астро ен и е, а такж е сво й ство п редм ето в бы ть тяж елы м и .) Н ью то н такж е разрабо тал м атем ати чески й ап п арат, п о зво ляю щ и й ко ли чествен н о оп и сать, как реаги рую т тела н а дей стви е си л, п о до бн ы х грави тац и и , и реш и л п о лучи вш и еся уравн ен и я. Т аки м о бразо м , Н ью то н сум ел до казать, что п ри тяж ен и е С о лн ц а вы н уж дает Зем лю и др уги е п лан еты дви гаться п о элли п ти чески м о рби там — в то чн ом соо тветстви и с п редсказан и ем К еп лера! Н ью то н п ро во згласи л, что его закон ы п ри м ен и м ы ко всем у во В селен н о й , о т п адаю щ его ябло ка до звезд и п лан ет. В п ервы е в и сто ри и дви ж ен и е п лан ет о бъ ясн яло сь дей стви ем тех ж е зако н ов, что о п ределяю т дви ж ен и е н а Зем ле, и эти м бы ло п о лож ен о н ачало со врем ен н о й ф и зи ке и астро н о м и и . П о сле о тказа о т П толем еевы х сф ер н е о ставало сь н и каки х п ри чи н дум ать, что В селен н ая и м еет естествен н ы е гран и ц ы (о черчен н ы е сам о й дальн ей сф еро й ). И п о ско льку п о лож ен и я звезд казали сь н еи зм ен н ы м и , если н е счи тать и х суто чн ого дви ж ен и я п о н еб у, вы зван н о го вращ ен и ем Зем ли во круг сво ей о си , естествен н о бы ло п редп о лож и ть, что звезды — это о бъ екты , п о до бн ы е н аш ем у С о лн ц у, только о чен ь -о чен ь далеки е. И теп ерь уж е н е то лько Зем ля, н о и С о лн ц е н е м огло бо льш е п ретен до вать н а ро ль ц ен тра м и ра. В ся н аш а С о лн ечн ая си стем а о к азы валась, п о всей ви ди м о сти , н е бо лее чем рядо вы м о бразо ван и ем во В селен н о й .
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• Гл ава тр еть я • С У Т Ь Н А У Ч Н Ы Х Т Е О Р И Й Ч то бы гово ри ть о п ри ро де В селен н о й и рассуж дать о то м , и м еет ли он а н ачало и ли ко н ец , след ует уясн и ть, что п редставляет со бо й н аучн ая тео ри я . М ы б удем и схо ди ть и з того н аи вн ого п редставлен и я, что тео ри я н е бо лее чем м о дель В селен н о й и ли н еко то ро й ее части , а такж е н або р п рави л, ко то ры е п о м о гаю т соотн ести абстрактн ы е вели чи н ы и п ракти чески е н аблю ден и я. Т ео ри я сущ ествует только в н аш и х ум ах и н е и м еет и н о й реальн о сти (что бы н и о зн ачало это сло во). Л ю бая тео ри я хо рош а, если о н а удо влетво ряет двум требо ван и ям : то чн о оп и сы вает бо льш ой класс н аблю ден и й н а о сн ове м о дели , со держ ащ ей всего н еско лько п рои зво льн ы х элем ен то в; п озво ляет делать то чн ы е п редсказан и я о результатах б уд ущ и х н аблю ден и й . Н ап ри м ер, А ри сто тель п ри зн авал тео ри ю Э м п едо кла, со гласн о кото ро й все со сто и т и з четы рех элем ен то в: зем ли , во зд уха, о гн я и во ды . Э то бы ла до стато чн о п ро стая тео ри я, н о о н а н е п озво ляла делать н и каки х о п ределен н ы х п редсказан и й . 18
С др уго й сто ро н ы , тео ри я всем и рн о го тяго тен и я Н ью то н а о сн о ван а н а ещ е бо лее п ро сто й м о дели , согласн о кото ро й тела п ри тяги ваю т друг др уга с си лой , п роп о рц и о н альн о й и х м ассам и о братн о п ро п о рц и о н альн о й квадрату рассто ян и я м еж д у н и м и . Н о н есм о тря н а сво ю п ро сто ту, эта тео ри я с вы со кой то чн о стью п редсказы вает дви ж ен и е С о лн ц а, Л ун ы и п лан ет. Л ю бая ф и зи ческая тео ри я всегда усло вн а, в том см ы сле, что о н а является ли ш ь п редп о ло ж ен и ем : вы н и ко гда н е сум еете до казать ее. С ко лько бы раз результаты эксп ери м ен то в н и совп адали с п редсказан и ям и тео ри и , вы н и когда н е м о ж ете бы ть уверен ы , что в след ую щ и й раз м еж д у н и м и н е во зн и кн ет п ро ти воречи я. С др уго й сто ро н ы , о дн о -еди н ствен н о е н аблю ден и е, н е со гласую щ ееся с п редсказан и ям и тео ри и , сп о со бн о ее оп ро вергн уть 1. К ак п о дчерки вал ф и ло со ф н ауки К арл П о п п ер, хо рош ая тео ри я о тли чается тем , что делает м н ож ество п редсказан и й , ко то ры е в п ри н ц и п е м о гут бы ть о п ровергн уты и ли , как гово рят ф и ло со ф ы , ф альси ф и ц и ро ван ы н аблю ден и ям и . К аж ды й раз, ко гда результаты н овы х эксп ери м ен то в согласую тся с п редсказан и ям и тео ри и , о н а вы ж и вает и н аш е до вери е к н ей увели чи вается; н о , если хо ть одн о н аблю ден и е п ро ти во речи т тео ри и , м ы до лж н ы ее отбро си ть и ли п ересм о треть. П о край н ей м ере, п редп о лагается, что так до лж н о бы ть, о дн ако вы всегда м о ж ете п о двергн уть со м н ен и ю ком п етен тн о сть того , кто вы п о лн ял н аблю ден и я. 1
В ы явлен и е отдельн ы х п роти вор ечи й м еж д у теори ей и эксп ери м ен том , как п рави ло, н е п ри води т к оп р оверж ен и ю теори и . В таки х сл учаях обы чн о вы дви гается всп ом огательн ая ги п отеза, которая о бъ ясн яет ан ом али ю . П остеп ен н о теори я обрастает больш и м п оясом таки х защ и тн ы х ги п отез и п ерестает давать п род укти вн ы е и деи . Н о окон чательн о теори я отвергается ли ш ь тогда, когда п оявляется др угая, более ясн ая и п род укти вн ая. Э ти и деи разви вали сь И м ре Л акатосом , п ослед ователем К арла П оп п ера. С м . статью «Ф альси ф и кац и я и м етод ол оги я н аучн о -и ссл ед овательски х п р ограм м » в кн и ге И м ре Л акатоса «М етодол оги я и ссл ед овательски х п рограм м » (М ., 2003). 19
Н а п ракти ке н овая тео ри я зачастую является разви ти ем п реды д ущ ей . Н ап р и м ер, о чен ь то чн ы е н аблю ден и я за п лан ето й М еркури й о бн ар уж и ли н ебо льш и е расхо ж ден и я м еж д у ее реальн ы м дви ж ен и ем и тем , что п редсказы вает тео ри я всем и рн о го тяготен и я Н ью то н а. П редсказан и я о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти Э й н ш тей н а н ем н о го расхо дятся с вы во дам и тео ри и Н ью то н а. Т о , что п редсказан и я Э й н ш тей н а, в о тли чи е о т н ью то н овски х, совп али с н аблю ден и ям и , стало о дн и м и з важ н ей ш и х п о дтверж ден и й н о во й тео ри и . О дн ако м ы п о -п реж н ем у и сп о льзуем тео ри ю Н ью то н а для п ракти чески х задач, п о ско льку разли чи е м еж д у ее п ред сказан и ям и и п редсказан и ям и о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти о чен ь н евели ки . (А кро м е того , с тео ри ей Н ью то н а н ам н о го п ро щ е рабо тать, чем с тео ри ей С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Э й н ш тей н а!) К о н ечн ая ц ель н ауки со сто и т в том , что бы дать м и ру еди н ую тео ри ю , ко то рая о п и сы вает всю В селен н ую . О дн ако н а п ракти ке учен ы е делят эту задач у н а две части . П ервую часть со ставляю т зако н ы , оп и сы ваю щ и е, как В селен н ая и зм ен яется со врем ен ем . (Е сли м ы зн аем со сто ян и е В селен н о й в о п ределен н ы й м о м ен т врем ен и , то эти ф и зи чески е зако н ы скаж ут н ам , како во б удет ее со сто ян и е вп о следстви и .) К о вто ро й части о тн о сятся воп ро сы , касаю щ и еся п ерво н ачальн о го со сто ян и я В селен н о й . Н еко то ры е лю ди убеж ден ы , что н аука до лж н а зан и м аться то лько п ерво й частью , о стави в воп ро с о н ачальн ом со сто ян и и м етаф и зи ке и ли рели ги и . О н и говоря т, что Б о г, буд учи всем о гущ и м , м о г дать н ачало В селен н о й лю бы м уго дн ы м Е м у о бразом . В озм о ж н о и так, н о то гда О н такж е м ог застави ть ее разви ваться со верш ен н о п ро и зво льн ы м о бразо м . О дн ако, п о хо ж е, что Т во рец п редп и сал ей разви ваться в строго м соо тветстви и с оп ределен н ы м и зако н ам и . П о это м у н е разум н ее ли п редп о лож и ть, что н еки е закон ы уп равляли и н ачальн ы м со сто ян и ем В селен н о й ? О казы вается, о чен ь трудн о о дн и м м ахо м и зо брести тео ри ю , о п и сы ваю щ ую всю В селен н ую . В м есто этого м ы разби ваем задач у н а части и со здае м м н ож ество частн ы х тео ри й . 20
К аж дая и з эти х тео ри й оп и сы вает и п редсказы вает н еко то ры й огран и чен н ы й класс н аблю ден и й , п рен ебрегая вли ян и ем други х со о тн ош ен и й и ли п редставляя и х п ро сты м и н або рам и чи сел. В о зм о ж н о , этот п о дхо д является в ко рн е н еп рави льн ы м . Е сли все во В селен н о й взаи м о зави си м о сам ы м ф ун д ам ен тальн ы м о бразо м , то м о ж ет статься, что н ельзя п о до й ти к п о лн о м у реш ен и ю , и сслед уя части п ро блем ы п о о тдельн о сти . Т ем н е м ен ее, дей ствуя таки м сп о со бо м в п ро ш лом , уч ен ы е до сти гли и звестн ы х усп ехо в. К ласси ч ески й п ри м ер — все та ж е тео ри я Н ью то н а, ко то рая стави т грави тац и о н н о е взаи м о дей стви е м еж ду двум я телам и в зави си м о сть только о т о дн ого и х качества — м ассы , н е п ри н и м ая в расчет, и з чего о н и слож ен ы . Д руги м и сло вам и , н ам н е н уж н а тео ри я вн утрен н его стро ен и я С о лн ц а и п лан ет для расчета и х о рби т 1. С его дн я учен ы е оп и сы ваю т В селен н ую в терм и н ах двух о сн о вн ы х частн ы х тео ри й — о бщ ей тео ри и отн о си тельн о сти и кван то вой м ехан и ки . Э то вели чай ш и е до сти ж ен и я разум а п ерво й п о ло ви н ы двадц ато го сто лети я. О бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти о п и сы вает дей стви е грави тац и и и круп н о м асш табн ую стр уктур у В селен н о й , то есть структур у н а м асш табах о т н еско льки х ки ло м етро в до м и лли он а м и лли о н ов м и лли о н ов м и лли он о в (еди н и ц а с двадц атью четы рьм я н улям и ) ки ло м етров — разм ера н аблю даем о й 2 В селен н о й . К ван товая м ехан и ка, н ап ро ти в, и м еет дело с п редельн о м алы м и м асш табам и , п о рядка м и лли о н н ой до ли от м и лли о н н о й до ли сан ти м етра (ри с. 3). У вы , 1
П ри расчете дви ж ен и я п лан ет и х вн утрен н и м стр оен и ем дей стви тельн о м ож н о п р ен ебр ечь. О дн ако в раде случаев так п оступ ать н ельзя. П ри сбли ж ен и и н ебесн ы х тел н а и х дви ж ен и и н ачи н аю т сказы ваться п ри ли вн ы е си лы и н еодн ородн ости вн утр ен н его расп ределен и я вещ ества. С ледя за дви ж ен и ем сп утн и ка вбли зи п оверхн ости п лан еты и реги стри р уя особ ен н ости грави тац и он н ого п оля, м ож н о и скать п олезн ы е и скоп аем ы е и ли и зучать ее вн утр ен н ее стр оен и е. 2 П о соврем ен н ы м дан н ы м , п оп ереч н и к ви ди м ой части В селен н ой составляет окол о 27 м лрд св. лет = 23 2,6•10 м . Э то н а п орядок м ен ьш е п ри веден н ого в тексте зн ачен и я. 21
н о и звестн о, что эти две тео ри и н есо вм ести м ы др уг с др уго м : вм есте о н и н е м о гут бы ть п рави льн ы . О дн ой и з главн ы х задач сего дн яш н ей ф и зи ки и главн о й тем ой это й кн и ги является п о и ск н о во й тео ри и — кван тово й теори и грави тац и и , кото рая вклю чи т в себя о бе н ы н еш н и е тео ри и . П о ка ещ е м ы н е расп о лагаем такой тео ри ей , и , бы ть м ож ет, н ам п редсто и т ещ е до лги й п уть к н ей , н о н ам уж е и звестн ы м н оги е и з тех сво й ств, ко то ры м и о н а до лж н а о бладать. И м ы п о каж ем далее, что уж е зн аем со ли дн о е ко ли чество п редсказан и й , кото ры е до лж н а делать кван товая тео ри я грави тац и и . Е сли вы вери те, что В селен н ая н е хао ти чн а, а уп равляется о п ределен н ы м и зако н ам и , то до лж н а бы ть во зм о ж н о сть в ко н ечн о м счете свести все частн ы е тео ри и в о дн у п о лн ую С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
о бъ еди н ен н ую тео ри ю , ко то рая о п и ш ет все во В селен н о й . Н о п о и ски Р и с. 3. А том ы и гал ак ти к и . В п ервой п ол ови н е двадц атого века ф и зи ки раздви н ули п ределы и сслед уем ы х явлен и й от п ри вы чн ого н ам м и ра, п одчи н яю щ егося закон ам Н ью тон а, до м и кро - и м акрокосм а.
22
о бщ ей тео ри и заклю чаю т в себе ф ун дам ен тальн ы й п арадо кс. П ри н ц и п ы со зд ан и я н аучн ы х тео ри й , сф о рм ули ро ван н ы е вы ш е, п редп о лагаю т, что м ы рац и о н альн ы е сущ ества, ко то ры е во льн ы н аблю дать В сел ен н ую п о сво ем у разум ен и ю и делать логи чески е вы во ды и з то го, что м ы ви ди м . В тако м случае н ап раш и вается п редп о ло ж ен и е, что м ы м огли бы п о д би раться все бли ж е к закон ам , ко то ры е уп равляю т н аш ей В селен н о й . И если бы дей стви тельн о сущ ество вала п о лн ая о бъ еди н ен н ая тео ри я, о н а, возм о ж н о , п редо п редели ла бы н аш и со бствен н ы е дей стви я. А зн ачи т, и результаты н аш и х п о и сков сам о й о бъ еди н ен н о й тео ри и ! И п о чем у о н а до лж н а п редоп редели ть, что м ы сделаем п рави льн ы е заклю чен и я и з то го, что ви ди м ? Н е м ож ет ли о казаться, что с таки м ж е усп ехо м м ы сделаем н еп рави льн ы е вы во ды ? И ли воо бщ е н и каки х вы во до в? Е ди н ствен н ы й о твет, ко то ры й м о ж н о дать н а эти во п ро сы , о сн о ван н а п ри н ц и п е естествен н ого о тбо ра Д арви н а. В лю бо й п о п уляц и и сам о во сп рои зво дящ и хся о рган и зм ов н еи збеж н ы вари ац и и в ген ети ческом вещ естве и во сп и тан и и разли чн ы х о со бей . Э ти разли чи я п о дразум еваю т, что н еко то ры е и н ди ви д уум ы сп о со бн ы верн ее други х суди ть о б о круж аю щ ем м и ре и дей ство вать в соо тветстви и со свои м и суж ден и ям и . П о до бн ы е и н ди ви дуум ы с бо льш ей веро ятн о стью вы ж и вут и дад ут п о том ство, а стало бы ть, и х п оведен и е и о браз м ы ш лен и я стан ет до м и н и ровать. Н е п о длеж и т со м н ен и ю , что в п рош ло м то, что м ы н азы ваем и н теллекто м и н аучн ы м м ы ш лен и ем , давало п реи м ущ ества в бо рьбе за вы ж и ван и е. Н е совсем ясн о , о дн ако , даю т ли он и п о до бн о е п реи м ущ ество сего дн я. Н аш и н аучн ы е о ткры ти я сп о со бн ы ун и что ж и ть всех н ас, и , даж е если это го н е п рои зо й дет, п о лн ая о бъ еди н ен н ая тео ри я н е увели чи т н аш и х ш ан со в н а вы ж и ван и е. О дн ако , если В селен н ая разви валась п о о п ределен н ы м закон ам , м ы м огли бы ож и дать, что сп о со бн о сть к м ы ш лен и ю , кото ро й н адели л н ас естествен н ы й о тбо р, п о м о ж ет н ам такж е в п о и сках п о лн о й о бъ еди н ен н о й тео ри и и н е п ри ведет н ас в ко н ечн ом счете к ло ж н ы м заклю чен и ям . 23
Ч астн ы е тео ри и , ко то ры м и м ы уж е расп о лагаем , до стато чн ы для того , что бы делать то чн ы е п редсказан и я во всех си туац и ях, за и склю чен и ем сам ы х экстрем альн ы х. П о это м у п о и ск о ко н чательн о й тео ри и В селен н о й , п о хо ж е, трудн о о п равдать соо браж ен и ям и п ракти ческо й п о льзы . (С то и т отм ети ть тем н е м ен ее, что п о до бн ы й аргум ен т м ог и сп о льзо ваться и п ро ти в тео ри и о тн о си тельн ости и кван то вой м ехан и ки , а он и дали н ам ядерн ую эн ерги ю и м и кро электрон н ую револю ц и ю !) О ткры ти е п о лн о й о бъ еди н ен н о й тео ри и м о ж ет и н е п о м о чь вы ж и ван и ю человеческо го ро да. О н о м ож ет даж е н е о трази ться С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
н а н аш ем о бразе ж и зн и . Н о с сам ого зарож ден и я ц и ви ли зац и и лю ди о тказы вали сь счи тать явлен и я ли ш ен н ы м и взаи м о связей и н ео бъ ясн и м ы м и . О н и ж аж дали п о сти чь леж а щ и й в о сн о ве всего м и ро п о рядо к. С его дн я м ы все ещ е стрем и м ся узн ать, о ткуда и каки м о бразом п о яви ли сь м ы в это м м и ре. Ф ун дам ен тальн ая тяга человечества к зн ан и ю — до стато чн о е о сн о ван и е для п ро до лж ен и я п о и сков. И м ы н е удо во льствуем ся м ен ьш и м , чем п о лн о е п о сти ж ен и е В селен н о й , в ко то ро й м ы ж и вем .
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• Гл ава ч етвер тая • В С Е Л Е Н Н А Я Н Ь Ю Т О Н А Н аш и н ы н еш н и е п редставлен и я о дви ж ен и и тел во схо дят к Г али лею и Н ью то н у. Д о н и х лю ди вери ли А ри сто телю , утверж давш ем у, что естествен н о е со сто ян и е тела — п о кой , а дви ж ется он о то лько п о д вли ян и ем си лы и ли и м п ульса. О тсю да следо вало, что тяж ело е тело до лж н о п адать бы стрее легко го, п о то м у что о н о си льн ее п ри тяги вается к Зем ле. А ри сто телевская тради ц и я п ро во зглаш ала такж е, что все зако н ы , уп равляю щ и е В селен н о й , м о ж н о вы вести п утем чи стого ум о зрен и я, без эксп ери м ен тальн о й п роверки . П о это м у до Г али лея н и кто н е дал себе тр уда удо стовери ться, дей стви тельн о ли тела разли чн ой м ассы п адаю т с разн ой ско ро стью . Г о ворят, что Г али лей дем о н стри ро вал лож н о сть утверж ден и я А ри сто теля, бро сая п редм еты с н акрен и вш ей ся баш н и в и тальян ско м го ро де П и за. Э та и сто ри я, ско рее всего , вы д ум ан а, н о Г али лей все ж е делал н ечто п о до бн о е: о н скаты вал ш ары разн о й м ассы п о гладко й н аклон н о й п ло ско сти . Э то ан алоги чн о верти кальн ом у п аден и ю тел, н о благо даря м ен ьш и м ско ро стям в п о до бн ом эксп ери м ен те легче вы п о лн ять н аблю ден и я. 25
И зм ерен и я Г али лея п о казали , что ско ро сть дви ж ен и я тел возрастала о ди н ако во н езави си м о о т и х м ассы . Н ап ри м ер, если вы п усти те ш ар п о н акло н н ой п ло ско сти , ко то рая п о н и ж ается н а о ди н м етр каж ды е десять м етро в, то н езави си м о о т м ассы через секун д у о н б удет дви гаться со ско ро стью п ри м ерн о о ди н м етр в секун д у, чер ез две секун ды — два м етра в секун д у и так далее. К о н ечн о , тело и з сви н ц а п адает бы стрее п еры ш ка, н о то лько п ото м у, что п аден и е п ера зам едляется со п ро ти влен и ем возд уха. Д ва тела, н е и сп ы ты ваю щ и х сущ ествен н о го возд уш н о го со п ро ти влен и я, н ап ри м ер два сви н ц овы х груза разн ой м ассы , б уд ут п адать с о дн и м и тем ж е уско рен и ем . (М ы ско ро узн аем п о чем у.) Н а Л ун е, где н ет возд уха, зам едляю щ его п аден и е, астро н авт Д эви д Р . С ко тт п ро вел эксп ери м ен т, бро сая п еры ш ко и кусо к сви н ц а, и убеди лся, что о н и о дн о врем ен н о уп али н а гр ун т. Н ью то н п о ло ж и л и зм ерен и я Г али лея в о сн ован и е свои х зако н о в дви ж ен и я. В эксп ери м ен тах Г али лея тело скаты вало сь с н аклон н о й п ло ско сти п о д дей стви ем п о сто ян н о й си лы , п ри дававш ей ем у п о сто ян н ое уско рен и е. Э ти м дем о н стри ровало сь, что реальн ы й эф ф ект о т дей стви я си лы — и зм ен ен и е ско ро сти тела, а н е п ри веден и е его в дви ж ен и е, как счи тало сь ран ее. Т акж е о тсю да следо вало , что , п о ка тело н е п о двер гается дей стви ю како й -ли бо си лы , он о п ерем ещ ается п о п рям ой ли н и и с п о сто ян н о й ско ро стью . Д ан н ая и дея, вп ервы е о тчетли во вы сказан н ая в «Н ачалах» (1687), и звестн а как п ервы й зако н Н ью тон а 1. 1
С трого говоря, суть п ервого закон а Н ью тон а состои т в сущ ествован и и особы х си стем отсчета, н азы ваем ы х и н ерц и альн ы м и , в которы х только и верн ы други е закон ы Н ью тон а. П ри зн аком и н ерц и альн ой си стем ы отсчета является то, что скорости тел отн оси тельн о н ее м ен яю тся только п од вли ян и ем си л, дей ствую щ и х со стор он ы др уги х тел. В н еи н ерц и альн ы х си стем ах отсчета (н ап ри м ер, н а вращ аю щ ей ся карусели и ли в ускоряю щ ем ся вагон е) скор ости тел м огут м ен яться и без ф и зи ческого воздей стви я. Н а это всегда обращ аю т вн и м ан и е п ри и зучен и и закон ов Н ью тон а в ф и зи ко -м атем ати чески х ш колах и в вы сш и х учеб н ы х заведен и ях. Ф орм ули р овка, п ри веден н ая в тексте, м ож ет вы звать ош и бочн ое вп ечатлен и е, б удто п ервы й закон Н ью тон а является п р осто частн ы м сл учаем второго (F= т а). 26
П о веден и е тела п о д дей стви ем си лы о п и сы вается вто ры м зако н ом Н ью то н а. О н утверж дает, что тело будет уско ряться, то есть и зм ен ять сво ю ско ро сть в тем п е, п роп о рц и о н альн о м вели чи н е п ри лож ен н о й си лы . (Н ап ри м ер, уско рен и е увели чи тся вдво е, если вдво е возрастет си ла.) К ро м е то го, уско рен и е тела тем м ен ьш е, чем бо льш е его м асса, то есть ко ли чество вещ ества. (О дн а и та ж е си ла, дей ствую щ ая н а тело вдво е бо льш ей м ассы , дает п о лови н н о е уско рен и е.) В сем , кто и м ел дело с авто м о би лям и , и звестн о : чем м ощ н ее дви гатель, тем бо льш е уско рен и е, а п ри о дн о й и то й ж е м о щ н о сти дви гателя бо лее тяж елая м аш и н а уск о ряется м едлен н ее. С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
В до п о лн ен и е к закон ам дви ж ен и я, о п и сы ваю щ и м реакц и ю тел н а дей стви е си л, н ью тон о вская тео ри я тяго тен и я о п и сы вает, как о п редели ть вели чи н у о дн ого ко н кретн о го ви да си л — грави тац и и . К ак уж е бы ло сказан о, согласн о это й тео ри и лю бы е два тел а п ри тяги ваю тся др уг к др угу с си ло й , п роп о рц и о н альн ой и х м ассам . Т о есть си ла п ри тяж ен и я м еж ду двум я телам и во зрастает вдво е, если удво и ть м ассу о дн ого и з тел, н ап ри м ер тела А (ри с. 4). Э то вп о лн е естествен н о, п о ско льку м ож н о рассм атри вать н о во е тело А как два тела, каж до е и з ко то ры х о бладает п ервон ачальн о й м ассо й и п ри тяги вает тело В с п ерво н ачальн ой си ло й . Т аки м о бразом , п о лн ая си ла взаи м н о го п ри тяж ен и я тел А и В б удет вдво е бо льш е п ерво н ачальн о й . А если бы м асса о дн о го и з тел возро сла в ш есть раз, и ли м асса о дн о го вдво е, а др уго го — втрое, то си ла п ри тяж ен и я м еж д у н и м и вы ро сла бы в ш есть раз. Т еп ерь м ож н о п о н ять, п о чем у все тела п ад аю т с о ди н аковы м уско рен и ем . С огласн о зако н у всем и рн о го тяго тен и я то и з двух тел, чья м асса вдво е бо льш е, вдво е си льн ее п ри тяги вается Зем лей . Н о в соо тветстви и со вто ры м зако н о м Н ью то н а и з-за вдво е бо льш ей м ассы его уско рен и е о каж ется вдво е м ен ьш е н а еди н и ц у си лы . Т аки м о бразо м , эти два эф ф екта ко м п ен си рую т др уг др уга, и уско рен и е сво бо дн ого п аден и я н е зави си т о т м ассы тела. 27
Зако н тяго тен и я Н ью то н а такж е гласи т, что чем дальш е др уг о т друга н ахо дятся тела, тем слабее и х п ри тяж ен и е. П о Н ью то н у, тяготен и е далеко й звезды будет ровн о вчетверо слабее п ри тяж ен и я тако й ж е звезды , н ахо дящ ей ся вдво е бли ж е. Э то т зако н п озво ляет с вы со ч ай ш ей то чн о стью п редсказы вать траектори и дви ж ен и я Зем ли , Л ун ы и п лан ет. Е сли бы грави тац и о н н о е п ри тяж ен и е звезды ум ен ьш ало сь с рассто ян и ем бы стрее и ли м едлен н ее, о рби ты п лан ет н е бы ли бы элли п ти чески м и , а и м ели бы ф о рм у сп и рали , схо дящ ей ся к С о лн ц у и ли расхо дящ ей ся о т н его. В аж н ей ш ее разли чи е м еж д у учен и ем А ри сто теля и и деям и Г али лея и Н ью то н а со сто и т в то м , что А ри сто тель счи тал п о ко й Р и с. 4. Г р ав и тац и он н ое п р и тя ж ен и е состав н ы х тел . Е сли м асса одн ого и з тел возрастает в два раза, удваи вается и си ла п ри тяж ен и я м еж д у телам и .
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
28
естествен н ы м со сто ян и ем лю бого тела, к ко торо м у о н о стрем и тся, если н е и сп ы ты вает дей стви я н еко ей си лы и ли и м п ульса. В частн о сти , А ри сто тель п о лагал, что Зем ля п ребы вает в со сто ян и и п о ко я. Н о и з закон ов Н ью то н а след ует, что н ет н и ка ко го ун и кальн о го стан дарта п о ко я. М о ж н о сказать, что тело А н ахо ди тся в со сто ян и и п о ко я, а тело В п ерем ещ ается о тн о си тельн о н его с п о сто ян н о й ско ро стью , и ли что тело В п ребы вает в п о ко е, а тело А п ерем ещ ается, и о ба утверж ден и я б уд ут о ди н ако во верн ы . Н ап ри м ер, если забы ть н а м гн о вен и е, что Зем ля вращ ается во круг сво ей о си и о бращ ается во кр уг С о лн ц а, то в равн о й м ере м ож н о го во ри ть, что Зем ля н ахо ди тся в со сто ян и и п о ко я, а п о езд дви ж ется п о н ей н а север со ско ро стью девян о сто м и ль в час и ли что п о езд н ахо ди тся в со сто ян и и п о ко я, а Зем ля дви ж ется н а ю г со ско ро стью девян о сто м и ль в час. Е сли п ро вести в п о езде эксп ери м ен ты с дви ж ущ и м и ся телам и , все зако н ы Н ью то н а п о дтвердятся. Н ап ри м ер, и грая в п и н г-п он г в ваго н е п о езда, убеж д аеш ься, что ш ари к п ови н уется зако н ам Н ью тон а то чн о так ж е, как и ш ари к н а столе у до роги . Т ак что н евозм ож н о узн ать, что и м ен н о дви ж ется — п оезд и ли Зем ля. К ак п ровери ть, кто п рав — Н ью то н и ли А ри сто тель? В о т о ди н и з во зм о ж н ы х эксп ери м ен то в. В оо брази те, что вы н ахо ди тесь вн утри закры того ко н тей н ера и н е зн аете, сто и т ли о н н а п о лу ваго н а в дви ж ущ ем ся п о езде и ли н а твердо й п оверхн о сти Зем ли , стан дарте п о ко я со гласн о А ри стотелю . М о ж н о ли оп редели ть, где вы ? Е сли м о ж н о , А ри сто тель, веро ятн о, бы л п рав: со сто ян и е п око я н а Зем ле является о со бы м . О дн ако это н евозм ож н о . Э ксп ери м ен ты , вы п о лн ен н ы е вн утри ко н тей н ера в дви ж ущ ем ся п о езде, б уд ут п ро текать то чн о так ж е, как и те, что п ро делан ы вн утри ко н тей н ера н а «н еп о дви ж н ом » п ерро н е (м ы счи таем , что п о езд н е и сп ы ты вает то лчко в, н е п о во рачи вает и н е то рм о зи т). И грая в п и н г-п он г в ваго н е п о езда, м о ж н о о бн ару29
ж и ть, что ш ари к ведет себя то чн о так ж е, как и ш ари к н а сто ле у до ро ги . И если , н ахо дясь вн утри ко н тей н ера, вы и граете в п и н г-п о н г, п ри разн ы х ско ро стях п о езда о тн о си тельн о Зем ли — 0,50 и ли 90 м и ль в час — ш ари к всегда будет вести себя о ди н ако во . Т ак устро ен м и р, что и о траж ен о в уравн ен и ях зако н о в Н ью то н а: н е сущ ествует сп о со ба узн ать, что дви ж ется — п о езд и ли Зем ля. П он яти е дви ж ен и я и м еет см ы сл, то лько если о н о задан о отн о си тельн о други х о бъ екто в. Д ей стви тельн о ли сущ ествен н о , кто п рав — А ри сто тель и ли Н ью тон ? И дет ли речь о разли чи и взглядо в, ф и ло со ф ски х си стем , и ли это п ро блем а, важ н ая для н ауки ? О тсутстви е абсо лю тн ого стан дарта п о ко я и м еет в ф и зи ке далеко и дущ и е п о следстви я: и з н его вы текает, что н ельзя о п редели ть, случи ли сь ли два со бы ти я, ко то ры е и м ели м есто в разн о е врем я, в о дн о м и то м ж е м есте. Ч то бы уясн и ть это , давай те п редп о ло ж и м , что н екто в п о езде верти кальн о бро сает тен н и сн ы й ш ари к н а сто л. Ш ари к о тскаки вает вверх и через секун д у сн о ва ударяет в то ж е м есто н а п о верхн о сти сто ла. Д ля чело века, броси вш его ш ари к, рассто ян и е м еж ду то чкам и п ервого и вто ро го касан и я б удет равн о н улю . Н о для то го, кто стои т сн аруж и ваго н а, два касан и я б уд ут раздел ен ы п ри бли зи тельн о со ро ка м етрам и , п о том у что и м ен н о сто лько п рой дет п о езд м еж ду двум я о тско кам и ш ари ка (ри с. 5). С огласн о Н ью то н у о ба человека и м ею т равн о е п раво счи тать, что н ахо дятся в со сто ян и и п о ко я, так что о бе то чки зрен и я о ди н ако во п ри ем лем ы . Н и о ди н и з н и х н е и м еет п реи м ущ ества п еред др уги м , в п ро ти во п о лож н о сть том у, что счи тал А ри стотель. М еста, где н аблю даю тся со бы ти я, и рассто ян и я м еж д у н и м и разли чн ы для человека в п о езде и чело века н а п латф о рм е, и н ет н и каки х п ри чи н п редп о честь о дн о н аблю ден и е др уго м у. Н ью то н а о чен ь бесп о ко и ло о тсутстви е абсо лю тн ы х п оло ж ен и й , и ли абсо лю тн ого п ро стран ства, как п ри н ято бы ло го во ри ть, п о ско льку это н е согласовы вало сь с его и деей абсо лю тн ого С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
30
Р и с. 5. О тн оси тел ь н ость р асстоя н и я. Р асстоян и е, которое п реод ол евает тело, — н аблю дателям и .
и его п уть —
м огут п о-разн ом у оц ен и ваться р азн ы м и
Б ога. Ф акти чески о н о тказался п ри н ять о тсутстви е абсо лю тн ого п ро стран ства, н есм о тря н а то что его зако н ы п о дразум евали это. За эту и ррац и о н альн ую вер у его кри ти ко вали м н о ги е, о со бен н о еп и ско п Б еркли , ф и ло со ф , п о лагавш и й , что все м атери альн ы е тела, п ро стран ство и врем я — и ллю зи я. К огда зн ам ен и то го до кто ра Д ж он сон а о зн аком и ли с м н ен и ем Б еркли , он вскри чал: «Я о п ро вергаю это так!» — и уд ари л н ого й п о бо льш о м у кам н ю . И А ри сто тель, и Н ью то н вери ли в абсо лю тн о е врем я. Т о есть п олагали , что м ож н о о дн о зн ачн о и зм ери ть и н тервал вре31
м ен и м еж ду двум я со бы ти ям и и п о лучен н о е зн ачен и е б уд ет о дн и м и тем ж е, кто бы его н и и зм ерял, если и сп о льзовать то чн ы е часы . В о тли чи е о т абсо лю тн о го п ро стран ства, абсо лю тн о е врем я согласовы валось с зако н ам и Н ью тон а. И бо льш и н ство лю дей счи тает, что это соо тветствует здраво м у см ы сл у. Т ем н е м ен ее в двадц ато м сто лети и ф и зи ки бы ли вы н уж ден ы п ересм о треть п редставлен и я о врем ен и и п ро стран стве. К ак м ы убеди м ся в дальн ей ш ем , учен ы е о бн аруж и ли , что и н тервал врем ен и м еж д у двум я со бы ти ям и , п о до бн о рассто ян и ю м еж д у о тско кам и тен н и сн ого ш ари ка, зави си т о т н аблю дателя. Ф и зи ки такж е о ткры ли , что врем я н е является соверш ен н о н езави си м ы м о т п ро стран ства. К лю чо м к п розрен и ю стало н о во е п о н и м ан и е свой ств света. С вой ства эти , казал о сь бы , п ро ти во речат н аш ем у о п ы ту, н о н аш здравы й см ы сл, и сп равн о служ ащ и й н ам , когда м ы и м еем дело с ябло кам и и ли п лан етам и , кото ры е дви ж утся сравн и тельн о м едлен н о , п ерестает рабо тать в м и ре о ко ло свето вы х ско ро стей .
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• Гл ава п я тая • О Т Н О С И Т Е Л Ь Н О С Т Ь Т от ф акт, что свет расп ро стран яется с ко н ечн ой , хо тя и о чен ь вы со ко й , ско ро стью , бы л о бн аруж ен в 1676 г. датски м астро н ом о м О ле Х ри сти ан сен о м Р ѐм еро м . Н аблю дая за сп утн и кам и Ю п и тера, м о ж н о зам ети ть, что врем я о т врем ен и о н и и счезаю т и з ви ду, п ро хо дя п о зади ги ган тско й п лан еты . Т аки е затм ен и я в си стем е сп утн и ко в Ю п и тера до лж н ы п ро и схо ди ть с о ди н ако вы м и и н тервалам и , о дн ако Р ѐм ер устан о ви л, что п ром еж утки м еж д у н и м и разли чн ы . М ож ет бы ть, ско ро сть дви ж ен и я сп утн и ко в п о о рби те то ум ен ьш ается, то увели чи вается? Р ѐм ер н аш ел др уго е о бъ ясн ен и е. Е сли бы свет расп ро стран ялся с бескон ечн ой ско ро стью , то н а Зем ле эти затм ен и я н аблю дали сь бы через равн ы е и н тервалы врем ен и , в те сам ы е м ом ен ты , ко гда он и п рои схо дят, — п о до бн о ти кан ью ко см и чески х часо в. П ри бли ж ен и е Ю п и тера к Зем ле и ли его удален и е н е и м ело бы н и какого зн ачен и я, так как свет лю бо е рассто ян и е п рео до левал бы м о м ен тальн о . Т еп ерь п редстави м , что свет расп ро стран яется с кон ечн о й ско ро стью . Т огда затм ен и я до лж н ы н аблю даться сп устя н еко то 33
ро е врем я п о сле и х н аступ лен и я. Э та задерж ка зави си т о т ско ро сти света и о т рассто ян и я до Ю п и тера. Е сли бы рассто ян и е м еж ду Ю п и теро м и Зем лей о ставало сь н еи зм ен н ы м , то и затм ен и я о тм ечали сь бы всегда через равн ы е и н тервалы . О дн ако, ко гда рассто ян и е м еж д у Зем лей и Ю п и теро м со кращ ается, « си гн ал» о каж до м следую щ ем затм ен и и п рео до левает все м ен ьш ее и м ен ьш ее рассто ян и е и до сти гает н аш ей п лан еты со все б о льш и м Р и с. 6. С к ор ость св ета и м ом ен ты затм ен и й сп утн и к ов Ю п и тер а. Н аблю даем ы е м ом ен ты затм ен и й сп утн и ков Ю п и тера зави сят как от дей стви тел ьн ого врем ен и затм ен и й , так и от врем ен и , в течен и е котор ого свет п реод олевает расстоян и е от Ю п и тера до Зем ли . Т ак, создается вп ечатлен и е, б уд то затм ен и я сл учаю тся чащ е, когда Ю п и тер сбли ж ается с Зем лей , и реж е — когда удаляется от н ее. Э тот эф ф ект здесь п реувели чен для н аглядн ости .
34
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
«о п ереж ен и ем граф и ка». П о той ж е п ри чи н е, ко гда Ю п и тер уд аляется о т Зем ли , м ы ви ди м , что затм ен и я все бо льш е зап азды ваю т (ри с. 6). В ели чи н а оп ереж ен и я и зап азды ван и я зави си т о т ско ро сти света, что п озво ляет ее и зм ери ть. И м ен н о это и сделал Р ѐм ер. О н зам ети л, что во врем я сбли ж ен и я Зем ли и Ю п и тера затм ен и я н аступ аю т ран ьш е, а во врем я и х удален и я др уг о т др уга — п о зж е, и и сп о льзо вал эту разн и ц у для вы чи слен и я скоро сти света. О дн ако его оц ен ки и зм ен ен и я рассто ян и я о т Зем ли до Ю п и тера бы ли н е о чен ь то чн ы м и , и з-за чего о н п о лучи л вели чи н у ско ро сти света 225 ты сяч ки лом етро в в секун д у, о тли чн ую о т соврем ен н о й — 300 ты сяч ки ло м етров в секун д у. И все ж е до сти ж ен и е Р ѐм ера до сто й н о во схи щ ен и я. В едь о н н е то лько устан о ви л, что ско ро сть света кон ечн а, и вы чи сли л ее вели чи н у, н о и сделал это за о ди н н адц ать лет до п убли кац и и «Н ач ал» Н ью то н а. У до влетво ри тельн о й тео ри и расп ро стран ен и я света н е сущ ество вало до 1865 г., ко гда ан гли й ски й ф и зи к М аксвелл сум ел о бъ еди н и ть до то го о бо со блен н ы е о п и сан и я электри чески х и м агн и тн ы х си л. У равн ен и я М аксвелла п редсказы вали во зм о ж н о сть во лн оо бразн ы х возм ущ ен и й сущ н о сти , ко то рую о н н азвал электром агн и тн ы м п о лем . О н и до лж н ы бы ли расп ро стран яться с п о сто ян н о й ско ро стью , п о до бн о ряби н а п о верхн о сти п р уда. В ы чи сли в эту ско ро сть, М аксвелл о бн аруж и л, что о н а то чн о совп адает со ско ро стью света! С его дн я м ы зн аем , что во лн ы М аксвелла во сп ри н и м аю тся чело вечески м глазом как ви ди м ы й свет, если и х дли н а н ахо ди тся в и н тервале о т со ро ка до во сьм и десяти м и лли о н н ы х до лей сан ти м етра. [Д ли н о й во лн ы н азы ваю т рассто ян и е м еж ду двум я ее гребн ям и и ли вп ади н ам и (ри с. 7).] В о лн ы , дли н а ко то ры х ко ро че, чем у ви ди м ого света, теп ерь н азы ваю т ультраф и о лето вы м , рен тген о вски м и гам м а -и злучен и ем . В о лн ы , п рево схо дящ и е п о 35
Р и с. 7. Д л и н а в ол н ы . Д ли н ой волн ы н азы ваю т расстоян и е м еж д у двум я ее гребн ям и и ли вп ади н ам и.
дли н е ви ди м ы й свет, — это ради ово лн ы (м етр и ли бо льш е), м и кро во лн ы (н еско лько сан ти м етро в) и и н ф ракрасн о е и злучен и е (бо льш е десяти ты сячн о й до ли сан ти м етра). В ы текаю щ ее и з тео ри и М аксвелла п о ло ж ен и е о то м , что ради о - и световы е во лн ы расп ро стран яю тся с н еко то ро й п о сто ян н о й скоро стью , бы ло трудн о со гласо вать с тео ри ей С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Н ью то н а. В о тсутстви е абсо лю тн ого стан дарта п о ко я н е м ож ет бы ть и н и какого ун и версальн о го соглаш ен и я о ско ро сти о бъ ек та. Ч то бы п о н ять это, сн о ва п редставьте себя и граю щ и м в п и н г-п о н г в п о езде. Е сли вы н ап равляете ш ари к к п ро ти вн и ку со ско ро стью 36
10 м и ль в час, то для н аблю дателя н а п латф о рм е ско ро сть ш ари ка со стави т 100 м и ль в час: 10 — ско ро сть ш ари ка о тн о си тельн о п о езда п лю с 90 — ско ро сть п о езда о тн о си тельн о п латф о рм ы . К ако ва ско ро сть ш ари ка — 10 и ли 100 м и ль в час? А как вы б удете ее о п ределять? О тн о си тельн о п о езда? О т носит ельно Зем ли ? Б ез абсо лю тн ого стан дарта п о ко я вы н е м ож ете о п редели ть абсо лю тн ую ско ро сть ш ари к а. О дн ом у и том у ж е ш ари ку м ож н о п ри п и сать лю бую ско ро сть в зави си м о сти о т то го, о тн о си тельн о како й си стем ы о тсчета о н а и зм еряется (ри с. 8). С огласн о тео ри и Н ью тон а то ж е сам о е до лж н о о тн о си ться и к свету. Т ак како й ж е то гда см ы сл н есет в себе утверж ден и е тео ри и М аксвелла о том , что свето вы е во лн ы всегда расп ро стран яю тся с о ди н ако вой ско ро стью ? Ч то бы п ри м и ри ть тео ри ю М аксвелла с зако н ам и Н ью то н а, бы ла п ри н ята ги п о теза о том , что п овсю д у, даж е в вакуум е, в «п усто м » п ро стран стве, сущ ествует н екая сред а, п о луч и вш ая н азван и е «эф и р». И дея эф и ра и м ела о со бую п ри влекательн о сть для тех учен ы х, ко то ры е счи тали , что, п о до бн о м о рски м во лн ам , треб ую щ и м во ды , и ли звуко вы м ко лебан и ям , треб ую щ и м возд уха, волн ам электро м агн и тн о й эн ерги и н уж н а н екая среда, в ко то ро й он и м огл и бы расп ро стран яться. С это й то чки зрен и я световы е во лн ы расп ро стран яю тся в эф и ре так ж е, как звуко вы е во лн ы в во здухе, и и х ско ро сть, вы во ди м ая и з уравн ен и й М аксвелла, до лж н а и зм еряться о тн о си тельн о эф и ра. В тако м сл учае разн ы е н аблю датели ф и кси ро вали бы разн ы е зн ачен и я ско ро сти света, н о о тн о си тельн о эф и ра о н а о ставалась бы п о сто ян н о й . Э ту и дею м ож н о п ровери ть. П редставьте себе свет, и сп ускаем ы й н еки м и сто чн и ко м . С о гласн о тео ри и эф и ра свет расп ро стран яется в эф и ре с п о сто ян н о й ско ро стью . Е сли вы дви ж етесь сквозь эф и р в сто ро н у и сто чн и ка, ско ро сть, с ко то рой к вам п ри бли ж ается свет, б удет склады ваться и з ско ро сти дви ж ен и я света в эф и ре и ваш ей ско ро сти о тн о си тельн о эф и ра. С вет б удет п ри бли ж аться к вам бы стрее, чем если бы вы бы ли н еп о дви ж н ы и ли , н ап ри м ер, дви гали сь в каком -то др уго м н ап равлен и и . О д 37
н ако это разли чи е в ско ро сти о чен ь трудн о и зм ери ть и з-за того , что ско ро сть света м н о го кратн о бо льш е той ско ро сти , с ко то ро й вы м огли бы дви гаться н австреч у и сто чн и ку. В 1887 г. А льберт М ай кельсо н (кото ры й вп о следстви и стал п ервы м ам ери кан ски м лауреато м Н о белевской п рем и и п о ф и зи ке) и Э двард М о рли вы п о лн и ли о чен ь то н ки й и тр удн ы й эксп ери м ен т в Ш ко ле п ри кладн ы х н аук в К ли влен де. О н и реш и ли
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Р и с. 8. Р азл и ч н ы е ск ор ости тен н и сн ого ш ар и к а. С огласн о теори и отн оси тельн ости разли чаю щ и еся результаты и зм ерен и й скор ости тела, п ол учен н ы е разн ы м и н аблю дателям и, оди н аково сп раведли вы .
38
во сп ользо ваться тем , что раз Зем ля о бращ ается во круг С о лн ц а со ско ро стью о ко ло 30 ки ло м етров в секун д у, то и и х лабо рато ри я до лж н а дви гаться скво зь эф и р с это й о тн о си тельн о вы со кой ско ро стью . К о н ечн о, н и кто н е зн ал, п ерем ещ ается ли эф и р о тн о си тельн о С о лн ц а, а если да, то в каком н ап равлен и и и с како й ско ро стью . Н о , п овто ряя и зм ерен и я в разн о е врем я го да, ко гда Зем ля н ахо ди тся в разли чн ы х то чках сво ей о рби ты , о н и н адеяли сь уч есть это т н еи звестн ы й ф акто р. М ай кельсон и М о рли разрабо тали эксп ери м ен т, в ко то ро м ско ро сть света в н ап равлен и и дви ж ен и я Зем ли через эф и р (когда м ы дви ж ем ся в сто рон у и сто чн и ка света) сравн и валась со ско ро стью света п о д п рям ы м угло м к это м у н ап равлен и ю (когда м ы н е п ри бли ж аем ся к и сто чн и ку). К н есказан н о м у и х уди влен и ю , о н и о бн аруж и ли , что ско ро сть в о бо и х н ап равлен и ях в то чн о сти о ди н ако ва! М еж д у 1887 и 1905 гг. бы ло п редп ри н ято н еско лько п оп ы то к сп асти тео ри ю эф и ра. Н аи бо лее и н тересн ы м и о казали сь рабо ты го ллан дского ф и зи ка Х ен дри ка Л о рен ц а, ко то ры й п о п ро бо вал о бъ ясн и ть результат эксп ери м ен та М ай кельсо н а — М о рли сж ати ем п редм ето в и зам едлен и ем хо да часов п ри п ередви ж ен и и сквозь эф и р. О дн ако в 1905 г. до селе н еи звестн ы й со трудн и к ш вей ц арского п атен тн ого бю ро А льберт Э й н ш тей н п о казал, что всякая н адо бн о сть в эф и ре о тп адает, если о тказаться о т и деи абсо лю тн ого врем ен и (вы ско ро узн аете п о чем у). В ед ущ и й ф ран ц узски й м атем ати к А н ри П уан кар е вы сказал п о хож и е соо браж ен и я н еско льки м и н еделям и п о зж е. А ргум ен ты Э й н ш тей н а бы ли бли ж е к ф и зи ке, чем вы кладки П уан каре, кото ры й рассм атри вал п ро блем у как чи сто м атем ати ческую и до п о следн его сво его дн я н е п ри н и м ал эй н ш тей н о вскую С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
и н терп ретац и ю тео ри и . Ф ун дам ен тальн ы й п о стул ат Э й н ш тей н а, и м ен уем ы й п ри н ц и п о м о тн о си тельн о сти , гласи т, что все зако н ы ф и зи ки до лж н ы бы ть о ди н ако вы м и для всех сво бо дн о дви ж ущ и хся н аблю дателей н езави си м о о т и х ско ро сти . Э то бы ло верн о для закон о в дви ж ен и я Н ью то н а, н о теп ерь Э й н ш тей н расп ро стран и л эту 39
и дею такж е и н а тео ри ю М аксвелла. Д р уги м и сло вам и , раз тео ри я М аксвелла о бъ являет ско ро сть света п о сто ян н о й , то лю бо й свобо дн о дви ж ущ и й ся н аблю датель до лж ен ф и кси ро вать о дн о и то ж е зн ачен и е н езави си м о о т ско ро сти , с ко то рой о н п ри бли ж ается к и сто чн и ку света и ли удаляется о т н его. К о н ечн о , эта п ро стая и дея о бъ ясн и ла — без п ри влечен и я эф и ра и ли и н о й п ри ви леги рован н о й си стем ы о тсчета — см ы сл п о явлен и я ско ро сти света в уравн ен и ях М аксвелла, о дн ако и з н ее такж е вы текал ряд уди ви тельн ы х следстви й , ко то ры е зачастую п ро ти во речи ли и н туи ц и и . Н ап ри м ер, требо ван и е, что бы все н аблю датели сош ли сь в о ц ен ке ско ро сти света, вы н уж дает и зм ен и ть ко н ц еп ц и ю врем ен и . С огласн о тео ри и о тн о си тельн о сти н аблю датель, ед ущ и й н а п о езде, и то т, что сто и т н а п латф о рм е, разо й дутся в о ц ен ке рассто ян и я, п ро й ден н о го свето м . А п о ско льку ско ро сть есть рассто ян и е, делен н о е н а врем я, еди н ствен н ы й сп о со б для н аблю дателей п ри й ти к согласи ю о тн о си тельн о ско ро сти света — это разой ти сь такж е и в о ц ен ке врем ен и . Д руги м и сло вам и , тео ри я о тн о си тельн о сти п о ло ж и ла ко н ец и дее абсо лю тн ого врем ен и ! О казало сь, что каж ды й н аблю датель до лж ен и м еть сво ю со бствен н ую м ер у врем ен и и что и ден ти чн ы е часы у разн ы х н аблю дателей н е о бязательн о б уд ут п оказы вать о дн о и то ж е врем я. Т ео ри я о тн о си тельн о сти н е н уж дается в эф и ре, п ри сутстви е ко то р о го, как п о казал эксп ери м ен т М ай кельсо н а— М о рли , н ево зм ож н о о бн аруж и ть. В м есто этого тео ри я о тн о си тельн о сти заставляет н ас сущ ествен н о и зм ен и ть п редставлен и я о п ро стран стве и врем ен и . М ы до лж н ы п ри зн ать, что врем я н е п о лн о стью о тделен о о т п ро стран ства, н о со ставляет с н и м н екую о бщ н о сть — п ро стран ство -врем я. П он ять это н елегко. Д аж е соо бщ еству ф и зи ко в п о н адо би ли сь го ды , что бы п ри н ять тео ри ю о тн о си тельн о сти . О н а — сви детельство богато го воо браж ен и я Э й н ш тей н а, его сп о со бн о сти к п о стро ен и ю тео ри й , его довери я к со бствен н о й логи ке, благо даря ко то ром у о н делал вы во ды , 40
н е п угаясь тех, казало сь бы , стран н ы х заклю чен и й , кото ры е п о ро ж дала тео ри я. В сем хо рош о и звестн о, что п о ло ж ен и е то чки в п ро стран стве м о ж н о о п и сать трем я чи слам и , и ли коо рди н атам и . Н ап ри м ер, м ож н о сказать, что н екая то чка в ком н ате н ахо ди тся в сем и ф утах о т о дн о й стен ы , в трех ф утах о т друго й и н а вы со те п яти ф уто в н ад п о лом . И ли м ы м ож ем указать то чку, зад ав ее географ и чески е ш и ро ту и до лготу, а такж е вы со ту н ад уро вн ем м о ря (ри с. 9). М о ж н о и сп о льзо вать лю бы е три п о дхо дящ и е коо рди н аты , о дн ако каж дая си стем а коо рди н ат и м еет огран и чен н ую о бласть п ри м ен ен и я. Н е сли ш ко м -то удо бн о оп ределять п о лож ен и е Л ун ы о тн о си тельн о ц ен тра Л он дон а — сто лько -то м и ль н а север и сто лько -то к зап ад у о т п лощ ади П и ккади лли и н а сто лько -то ф уто в вы ш е уро вн я м о ря. В м есто этого м ож н о задать п о лож ен и е Л ун ы , указав ее рассто ян и е от С о лн ц а, удал ен и е о т п ло ско сти п лан етн ы х о рби т, а такж е уго л м еж ду п рям ой Л ун а— С о лн ц е и ли н и ей , со еди н яю щ ей С о лн ц е с бли ж ай ш ей к н ам звездо й , П ро кси м о й Ц ен тавра. Н о даж е эти коо рди н аты н е о со бен н о удо бн ы для указан и я м есто п о лож ен и я С о лн ц а в н аш ей Г алакти ке и ли сам о й Г алакти ки в М естн о й груп п е галакти к. Н а сам ом деле В селен н ую м о ж н о о п и сы вать в терм и н ах сво его ро да п ерекры ваю щ и хся «зап лат». В п ределах каж до й зап латы для задан и я п о ло ж ен и я то чки п раво м ерн о и сп о льзовать сво ю си стем у ко о рди н ат. В п ро стран стве-врем ен и тео ри и о тн о си тельн о сти лю бо е со бы ти е — то есть н ечто сл учаю щ ееся в о п ределен н о й то чке п ро стран ства в о п ределен н о е врем я — м ож н о задать четы рьм я коо рди н атам и . В ы бо р коо рди н ат о п ять-таки п ро и зво лен : м ож н о и сп ользо вать лю бы е три четко задан н ы е п ро стран ствен н ы е коо рди н аты и лю бой сп о со б и зм ерен и я С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
врем ен и . Н о в тео ри и о тн о си тельн о сти н ет п ри н ц и п и альн о го разли чи я п ро стран ствен н ы м и и врем ен н ы м и коо р ди н атам и , как н ет его м еж д у лю -
м еж д у
41
Р и с. 9. К оор ди н аты в п р остр ан ств е. Г оворя, что п ростран ство и м еет три и зм ерен и я, м ы п одразум еваем , что п олож ен и е точки в н ем м ож н о п ередать с п ом ощ ью трех чи сел — коорди н ат. Е сли м ы введем в н аш е оп и сан и е врем я, то п ол уч и м четы рехм ерн ое п ростран ство -врем я.
бы м и двум я п ро стран ствен н ы м и коо рди н атам и . М ож н о вы брать н о вую си стем у коо рди н ат, в ко то ро й , скаж ем , п ервая п ро стран ствен н ая коо рди н ата б уд ет н еки м со четан и ем п реж н и х п ервой и вто ро й п ро стран ствен н ы х коо рди н ат. Н ап ри м ер, п о лож ен и е то чки н а Зем ле м о ж н о бы ло бы вы рази ть н е рассто ян и ем в м и лях к север у и к зап ад у о т п лощ ади П и ккади лли , а, скаж ем , рассто ян и ем к северо -во сто ку и к северо -зап аду. А н ало ги чн о м ож н о и сп о льзо вать н о вую врем ен н ую ко о рди н ату, задав ее как 42
старо е врем я (в секун дах) п лю с рассто ян и е (в световы х секун дах) к северу о т п лощ ади П и ккади лли . Д р уго е и звестн о е следстви е тео ри и о тн о си тельн о сти — экви вален тн о сть м ассы и эн ерги и , вы раж ен н ая зн ам ен и ты м уравн ен и ем Э й н ш тей н а Е = т с 2 (где Е — эн ерги я, т — м асса тела, с — ско ро сть света). В ви ду экви вален тн о сти эн ерги и и м ассы ки н ети ческая эн ерги я, ко то рой м атери альн ы й о бъ ект о бладает в си лу сво его дви ж ен и я, увели чи вает его м ассу. И н ы м и словам и , о бъ ект стан о ви тся труд н ее разго н ять. Э то т эф ф ект сущ ествен ен то лько для тел, ко то ры е п ерем ещ аю тся со ско ро стью , бли зко й к ско ро сти света. Н ап ри м ер, п ри ско ро сти , равн о й 10% о т ско ро сти света, м асса тела б удет всего н а 0,5% бо льш е, чем в со сто ян и и п о ко я, а во т п ри ско ро сти , со ставляю щ ей 90% о т ско ро сти света, м асса уж е бо лее чем вдво е п ревы си т н о рм альн ую . П о м ере п ри бли ж ен и я к ско ро сти света м асса тела увели чи вается все бы стрее, так что для его уско рен и я треб уется все бо льш е эн ерги и . С о гласн о тео ри и о тн о си тельн о сти о бъ ект н и когда н е см ож ет до сти чь ско ро сти света, п о ско льку в дан н о м случае его м асса стала бы беско н ечн о й , а в си лу экви вален тн о сти м ассы и эн ерги и для это го п отребо валась бы С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
беско н ечн ая эн ерги я. В о т п о чем у тео ри я отн о си тельн о сти н авсегда о брекает лю бо е о бы чн о е тело дви гаться со ско ро стью , м ен ьш ей ско ро сти света. Т о льк о свет и ли други е во лн ы , н е и м ею щ и е со бствен н о й м ассы , сп о со бн ы дви гаться со ско ро стью света. Т ео ри я о тн о си тельн о сти , вы дви н утая Э й н ш тей н ом в 1905 г., н азы вается «сп ец и альн о й » и ли «частн о й ». О н а о чен ь усп еш н о о бъ ясн и ла н еи зм ен н о сть ско ро сти света для всех н аблю дателей и о п и сала явлен и я п ри дви ж ен и и со ско ро стям и , бли зки м и к ско ро сти света, н о о казалась н есо вм ести м а с тео ри ей тяго тен и я Н ью то н а. Т ео ри я Н ью то н а гласи т, что в лю бо й м ом ен т тела п ри тяги ваю т друг др уга с си ло й , ко то рая зави си т о т рассто ян и я м еж д у н и 43
м и в это врем я. С ледо вательн о , если кто -то п ерем ести т о дн о и з тел, си ла п ри тяж ен и я и зм ен и тся м гн о вен н о. Е сли бы , скаж ем , С о лн ц е вн езап н о и счезло , то согласн о тео ри и М аксвелла Зем ля н е п огруж алась бы во м рак ещ е 8 м и н ут (и м ен н о сто лько требуется со лн ечн о м у свету, что бы до сти чь н ас). О дн ако п о тео ри и Н ью тон а Зем ля, о сво бо ди вш и сь о т п ри тяж ен и я С о лн ц а, со ш ла бы с о рби ты н ем едлен н о . Т аки м о бразо м , грави тац и о н н ы й эф ф ект и счезн о вен и я С о лн ц а до сти г бы н ас с беско н ечн ой ско ро стью , а н е со ско ро стью света и ли м едлен н ее, как п ред усм атри вает сп ец и альн ая тео ри я о тн о си тельн о сти . М еж д у 1908 и 1914 гг. Э й н ш тей н п редп ри н ял м н о ж ество н еудачн ы х п оп ы то к п ри м и ри ть тео ри ю тяго тен и я со сп ец и альн о й тео ри ей о тн о си тельн о сти . Н ако н ец , в 1915 г., о н п редло ж и л ещ е бо лее рево лю ц и о н н ую до ктри н у, и звестн ую теп ерь как о бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти .
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• Гл ава ш естая • И С К Р И В Л Е Н Н О Е П Р О С Т РА Н С Т В О О бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти Э й н ш тей н а о сн о ван а н а рево лю ц и о н н о м п редп о ло ж ен и и , что грави тац и я н е о бы чн ая си ла, а следстви е то го, что п ро стран ство -врем я н е является п ло ски м , как п ри н ято бы ло дум ать ран ьш е. В о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти п ро стран ство -врем я и зо гн уто и ли и скри влен о п о м ещ ен н ы м и в н его м ассой и эн ерги ей . Т ела, п о до бн ы е Зем ле, дви ж утся п о и скри влен н ы м о рби там не п о д дей стви ем си лы , и м ен уем о й грави тац и ей ; о н и след ую т п о и скри влен н ы м о рби там п о том у, что те являю тся гео дези чески м и ли н и ям и — бли ж ай ш и м и ан ало гам и п рям ы х ли н и й в и скри влен н о м п ро стран стве. Б олее строго гео дези ческая ли н и я о п ределяется как кратчай ш и й (и ли , н ао бо ро т, сам ы й дли н н ы й ) п уть м еж д у двум я то чкам и . Г ео м етри ческая п ло ско сть — п ри м ер двум ерн о го п ро стран ства, в ко то ро м гео дези чески е ли н и и являю тся п рям ы м и . П о верхн о сть Зем ли — это двум ерн о е и скри влен н о е п ро стран ство. Г ео дези чески е ли н и и н а Зем ле н азы ваю тся бо льш и м и кр угам и . Э квато р — бо льш о й круг, как и лю бой др уго й кр уг н а п о верхн о 45
сти , ц ен тр ко то ро го со вп адает с ц ен тром Зем ли . (Т ерм и н «бо льш ой круг» указы вает н а то, что таки е кр уги являю тся н аи бо льш и м и возм о ж н ы м и н а п оверхн о сти Зем ле.) Т ак как гео дези ческая ли н и я — кратчай ш ая ли н и я м еж д у двум я аэро п о ртам и , ш тур Р и с. 10. Р асстоя н и я н а зем н ом ш ар е. К ратчай ш ая ли н и я м еж ду двум я точ кам и н а зем н ом ш аре п роходи т п о б ольш ом у кр угу, которы й н а п лоской карте н е п ередается п рям ой ли н и ей .
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
46
м ан ы вед ут сам о леты и м ен н о п о таки м м арш р утам . Н ап ри м ер, вы м огли бы , следуя п о казан и ям ком п аса, п ро лететь 5966 ки ло м етро в о т Н ью -Й о рка до М адри да п о чти строго н а во сто к вдо ль гео граф и ческо й п араллели . Н о вам п ри дется п о кры ть всего 5802 ки ло м етра, если вы п о лети те п о бо льш ом у кр угу, сп ерва н а северо -во сто к, а затем п о степ ен н о п о во рачи вая к во сто ку и далее к ю го -во сто ку (ри с. 10). В и д эти х двух м арш руто в н а карте, где зем н ая п оверхн о сть и скаж ен а (п редставлен а п ло ско й ), о бм ан чи в. Д ви гаясь «п рям о » н а во сто к о т о дн о й то чки к др уго й п о п о верхн о сти зем н о го ш ара, вы в дей стви тельн о сти п ерем ещ аетесь н е п о п рям ой ли н и и , то чн ее сказать, н е п о сам о й ко ро тко й , гео дези ческо й ли н и и . В о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти тела всегда след ую т п о гео дези чески м ли н и ям в четы рехм ерн о м п ро стран стве-врем ен и . В о тсутстви е м атери и эти п рям ы е ли н и и в четы рехм ерн о м п ро стран стве-врем ен и соо тветствую т п рям ы м ли н и ям в трехм ерн о м п ро стран стве. В п ри сутстви и м атери и четы рехм ерн о е п ро стран ство -врем я и скаж ается, вы зы вая и скри влен и е траекто ри й тел в трехм ерн о м п ро стран стве (п о до бн о то м у , как в старо й н ью то н о вско й тео ри и это п рои схо ди ло п о д дей стви ем грави тац и он н о го п ри тяж ен и я). Н ечто п о хо ж ее н аблю дается, ко гда сам о лет лети т н ад хо лм и сто й м естн о стью . О н , м ож ет бы ть, и дви гается п о п рям ой ли н и и в трехм ерн о м п ро стран стве, н о удали те третье и зм ерен и е — вы со ту, — и о каж ется, что его тен ь след ует п о и зо гн уто й траекто ри и н а хо лм и сто й двум ерн о й п о верхн о сти Зем ли . И ли воо брази те ко см и чески й ко рабль, п ро летаю щ и й в ко см о се п о п рям о й ли н и и н ад С еверн ы м п о лю со м . С п ро ец и руй те его траекто ри ю вн и з н а дву м ерн ую п о верхн о сть Зем ли , и вы уви ди те, что о н а оп и сы вает п о лукр уг, п ересекаю щ и й п араллели С еверн о го п о луш ари я (ри с. 11). Х о тя это трудн о и зо брази ть, м асса С о лн ц а и скри вляет п ро стран ство -врем я таки м о бразом , что Зем ля, след уя п о кратчай ш ем у п ути в четы рехм ер47
н ом п ро стран стве-врем ен и , п редставляется н ам дви ж ущ ей ся п о п о чти круго во й о рби те в трехм ерн ом п ро стран стве. В дей стви тельн о сти , н есм о тря н а и н о й сп о со б вы во да, о рби ты п лан ет, п редсказы ваем ы е о бщ ей тео ри ей о тн о си тельн ости , п о чти в то чн о сти таки е ж е, как те, что п редсказы вает зако н тяго тен и я Н ью то н а. С ам о е бо льш о е расхо ж ден и е о бн ар уж и вается у о рби ты М еркури я, ко то ры й , б уд учи бли ж ай ш ей к С о лн ц у п ла-
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Р и с. 11. Т р аек тор и я тен и к осм и ч еск ого к ор абл я . Е сли траектори ю косм и ческого корабля, которы й дви ж ется в косм осе п о п рям ой ли н и и , сп р оец и ровать н а двум ерн ую п оверхн ость Зем ли , окаж ется, что он а и скри влен а.
48
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Р и с. 12. П р ец есси я ор би ты М ер к ур и я . П ри обращ ен и и М еркури я вокр уг С олн ц а больш ая ось его элли п ти ч еской орби ты п оворачи вается, оп и сы вая п олн ы й кр уг п ри бли зи тельн о за 360 000 лет.
н ето й , и сп ы ты вает сам о е си льн о е во здей стви е грави тац и и и и м еет до во льн о вы тян утую элли п ти ческую о рби ту. С о гласн о о бш ей тео ри и о тн о си тельн о сти бо льш ая о сь элли п ти ческо й о рби ты М еркури я до лж н а п оворачи ваться во круг С о лн ц а п ри бли зи тельн о н а о ди н град ус за д есять ты сяч лет (ри с. 12). К ак н и м ал это т эф ф ект, о н бы л заф и кси ро ван (см . гл. 3) н ам н ого ран ьш е 49
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Р и с. 13. И ск р и в л ен и е л уч ей св ета в бл и зи С ол н ц а. К огда С олн ц е н аход и тся п очти н а п олп ути м еж д у Зем лей и далекой звездой , его грави тац и он н ое п ол е откл он яет л учи , и сп ускаем ы е звездой , м ен яя ее ви ди м ое п ол ож ен и е.
50
1915 г. и п о служ и л о дн и м и з п ервы х п о дтверж ден и й тео ри и Э й н ш тей н а. В п о следн и е го ды ещ е м ен ее зам етн ы е о ткло н ен и я о рби т др уги х п лан ет о т п редсказан и й тео ри и Н ью то н а бы ли о бн ар уж ен ы п ри п о м о щ и радаро в в п о лн о м со гласи и с о бщ ей тео ри ей о тн о си тельн о сти . С вето вы е лучи то ж е до лж н ы следо вать по гео дези чески м ли н и ям п ро стран ства-врем ен и . И сн о ва то т ф акт, что п ро стран ство и скри влен о , о зн ачает, что траекто ри я света в п ро стран стве больш е н е вы гляди т как п рям ая ли н и я. С огласн о о бщ ей тео ри и отн о си тельн о сти грави тац и о н н ы е п о ля до лж н ы и скри влять свет. Н ап ри м ер, тео ри я п редсказы вает, что вбли зи С о лн ц а лучи света до лж н ы слегка и зги баться в его сто ро н у п о д воздей стви ем м ассы свети ла. Зн ачи т, свет далеко й звезды , случи сь ем у п ро й ти рядом с С о лн ц ем , о ткло н и тся н а н ебо льш о й уго л, и з-за чего н аблю датель н а Зем ле уви ди т звезд у н е со всем там , где о н а в дей стви тельн о сти расп о лагается (ри с. 13). К о н ечн о, если бы свет звезды всегда п ро хо ди л бли зко к С о лн ц у, м ы н е см о гли бы устан о ви ть, отклон яется луч света, и ли звезда дей стви тельн о н ахо ди тся там , где м ы , как н ам каж ется, ее ви ди м . О дн ако п ри дви ж ен и и Зем ли п о о рби те п озади С о лн ц а о казы ваю тся разли чн ы е звезды . И х свет о ткло н яется, и , как следстви е, м ен яется и х ви ди м о е п о ло ж ен и е о тн о си тельн о други х С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
звезд. В о бы чн ы х усло ви ях н аблю дать это т эф ф ект о чен ь трудн о , п о ско льку свет С о лн ц а затм евает звезды , расп о лож ен н ы е вбли зи н его н а н ебе. О дн ако таки е н аблю ден и я м о ж н о вы п о лн и ть во врем я со лн ечн ы х затм ен и й , ко гда Л ун а п реграж дает п уть со лн ечн ы м лучам . Г и п о тезу Э й н ш тей н а о б о ткло н ен и и света н ельзя бы ло п ровери ть в 1915 г. — ш ла П ервая м и ро вая во й н а. Т о лько в 1919 г. бри тан ская эксп еди ц и я, н аблю давш ая затм ен и е С о лн ц а в Зап адн о й А ф ри ке, п о дтверди ла, что свет дей стви тельн о о ткло н яется С о лн ц ем , как и п редсказы вал Э й н ш тей н . Э тот вклад бри тан ско й н ауки в до казательство н ем ец кой тео ри и бы л во сп ри н ят тогда как си м во л п ри м и рен и я м еж 51
д у двум я стран ам и п о сле во й н ы . П о и рон и и судьбы , бо лее п о здн яя п ро верка ф о то граф и й , сделан н ы х эксп еди ц и ей , п о казала, что п огреш н о сти и зм ерен и й н е уступ али п о вели чи н е и зм еряем ом у эф ф екту. С о вп аден и е результато в и зм ерен и й с тео рети чески м и вы кладкам и бы ло счастли во й случай н о стью , а во зм о ж н о, и сследователи заран ее зн али , како й результат хо тят п о лучи ть, — н ередки й казус в н ауке. О ткло н ен и е света, о дн ако , уд ало сь с вы со ко й то чн о стью п о дтверди ть м н ож ество м бо лее п оздн и х н аблю ден и й . Е щ е о дн о п редсказан и е о бщ ей тео ри и отн оси тельн о сти со сто и т в то м , что о ко ло м асси вн ы х тел, таки х как Зем ля, до лж ен зам едляться хо д врем ен и . Э й н ш тей н п ри ш ел к это м у вы во д у ещ е в 1907 г., за п ять лет до то го, как п о н ял, что грави тац и я и зм ен яет ф о рм у п ро стран ства, и за во сем ь лет до п о стро ен и я заверш ен н о й тео ри и . О н вы чи сли л вели чи н у это го эф ф екта, и схо дя и з п ри н ц и п а экви вален тн о сти , ро ль кото ро го в о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти схо дн а с ро лью п ри н ц и п а о тн о си тельн о сти в сп ец и альн о й тео ри и . Н ап о м н и м , что согласн о о сн о вн ом у п о стулату сп ец и альн о й тео ри и о тн о си тельн о сти все ф и зи чески е зако н ы о ди н аковы для всех сво бо дн о дви га ю щ и хся н аблю дателей , н езави си м о о т и х ско ро сти . Г рубо го во ря, п ри н ц и п экви вален тн о сти расп ро стран яет это п рави ло и н а тех н аблю дателей , ко то ры е дви ж утся н е сво бо дн о , а п о д дей стви ем грави тац и он н о го п о ля. Т о чн ая ф о рм ули ро вка это го п ри н ц и п а со держ и т ряд техн и чески х о гово ро к; н ап ри м ер, если грави тац и он н о е п о ле н ео дн о ро дн о , то п ри м ен ять п ри н ц и п след ует п о о тдельн о сти к рядам н ебо льш и х п ерекры ваю щ и хся о дн о ро дн ы х п о лей -зап лат, о дн ако м ы н е будем угл убляться в эти то н ко сти . Д ля н аш и х ц елей м ож н о вы рази ть п ри н ц и п экви вален тн о сти так: в до стато чн о м алы х о бластях п ро стран ства н евозм о ж н о суди ть о то м , п ребы ваете ли вы в со сто ян и и п о ко я в грави тац и о н н о м п о ле и ли дви ж етесь с п о сто ян н ы м уско рен и ем в п усто м п ро стран стве. 52
П редставьте себе, что вы н ахо ди тесь в ли ф те п о среди п усто го п ро стран ства. Н ет н и како й грави тац и и , н и какого «верха» и «н и за». В ы п лы вете сво бо дн о . Затем ли ф т н ачи н ает дви гаться с п о сто ян н ы м уско рен и ем . В ы вн езап н о о щ ущ аете вес. Т о есть вас п ри ж и м ает к о дн ой и з стен о к ли ф та, ко то рая теп ерь во сп ри н и м ается к ак п о л. Е сли вы возьм ете ябло ко и о тп усти те его, о н о уп ад ет н а п о л. Ф акти чески теп ерь, ко гда вы дви ж етесь с уско рен и ем , вн утри ли ф та все б уд ет п ро и схо ди ть в то чн о сти так ж е, как если бы п о дъ ем н и к воо бщ е н е дви гался, а п о кои лся бы в о дн о ро дн о м грави тац и о н н о м п о ле. Э й н ш тей н п о н ял, что, п о до бн о то м у как, н аходясь в ваго н е п о езда, вы н е м о ж ете сказать, сто и т о н и ли равн о м ерн о дви ж ется, так и , п ребы вая вн утри ли ф та, вы н е в со сто ян и и о п редели ть, п ерем ещ ается ли о н с п о сто ян н ы м уско рен и ем и ли н ахо ди тся в о дн о ро дн о м грави тац и он н о м п о ле. Р езультато м этого п он и м ан и я стал п ри н ц и п экви вален тн о сти . П ри н ц и п экви вален тн о сти и п ри веден н ы й п ри м ер его п ро явлен и я б уд ут сп раведли вы ли ш ь в том случае, если и н ертн ая м асса (входящ ая во вто ро й зако н Н ью то н а, кото ры й о п ределяет, како е уско рен и е п ри дает телу п ри лож ен н ая к н ем у си ла) и грави тац и о н н ая м асса (вхо дящ ая в зако н тяго тен и я Н ью то н а, ко то ры й о п ределяет вели чи н у грави тац и он н о го п ри тяж ен и я) суть о дн о и то ж е (см . гл. 4). Е сли эти м ассы о ди н аковы , то все тела в грави тац и о н н о м п о ле буд ут п ад ать с о дн и м и тем ж е уско рен и ем н езави си м о о т м ассы . Е сли ж е эти две м ассы н е экви вален тн ы , то гда н еко то ры е тела п о д вли ян и ем грави тац и и буд ут п адать бы стрее др уги х и это п о зво ли т о тли чи ть дей стви е тяго тен и я о т С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
равн ом ерн о го уско рен и я, п ри ко то р о м все п редм еты п адаю т о ди н ако во. И сп ользо ван и е Э й н ш тей н ом экви вален тн о сти и н ертн ой и грави тац и о н н ой м асс для вы во да п ри н ц и п а экви вален тн о сти и , в ко н ечн о м счете, всей о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти — это бесп рец еден тн ы й в и сто ри и человеческо й м ы сли п ри м ер у п о рн о го и п о следовательн ого разви ти я ло ги чески х заклю чен и й . 53
Т еп ерь, п о зн аком и вш и сь с п ри н ц и п ом экви вален тн о сти , м ы м о ж ем п ро следи ть хо д рассуж ден и й Э й н ш тей н а, вы п о лн и в друго й м ы слен н ы й эксп ери м ен т, ко то ры й п о казы вает, п о чем у грави тац и я воздей ствует н а в рем я. П редставьте себе ракету, летящ ую в ко см о се. Д ля удо бства б удем счи тать, что ее ко рп ус н асто лько вели к, что свету треб уется ц елая секун да, что бы п ро й ти вдо ль н его сверху до н и зу. И н акон ец , п редп о ло ж и м , что в ракете н ахо дятся два н аблю д ателя: о ди н — н аверху, у п о то лка, др уго й — вн и зу, н а п о лу, и о ба о н и сн абж ен ы о ди н ако вы м и часам и , ведущ и м и о тсчет секун д. Д о п усти м , что верхн и й н аблю датель, дож давш и сь о тсчета сво и х часо в, н ем едлен н о п о сы лает н и ж н ем у светово й си гн ал. П ри следую щ ем о тсчете он ш лет вто ро й с и гн ал. П о н аш и м усло ви ям п о н адо би тся о дн а секун д а, что бы каж ды й си гн ал до сти г н и ж н его н аблю дателя. П о ско льку верхн и й н аблю датель п о сы лает два свето вы х си гн ала с и н тервало м в о дн у секун д у, то и н и ж н и й н аблю датель зареги стри рует и х с таки м ж е и н тервало м . Ч то и зм ен и тся, если в этом эксп ери м ен те, вм есто то го что бы сво бо дн о п лы ть в ко см о се, ракета будет сто ять н а Зем ле, и сп ы ты вая дей стви е грави тац и и ? С о гласн о тео ри и Н ью то н а грави тац и я н и как н е п овли яет н а п о лож ен и е дел: если н аблю датель н авер х у п ередаст си гн алы с п ром еж утко м в секун д у, то н аблю датель вн и зу п о лучи т и х через то т ж е и н тервал. Н о п ри н ц и п экви вален тн о сти п редсказы вает и н о е разви ти е со бы ти й . К ако е и м ен н о , м ы см ож ем п он ять, если в соо тветстви и с п ри н ц и п ом экви вален тн о сти м ы слен н о зам ен и м дей стви е грави тац и и п о сто ян н ы м уско рен и ем . Э то о ди н и з п ри м еров того , как Э й н ш тей н и сп о льзо вал п ри н ц и п экви вален тн о сти п ри создан и и сво ей н о вой тео ри и грави тац и и . И так, п редп о лож и м , что н аш а ракета уско ряется. (Б удем счи тать, что о н а уско ряется м едлен н о, так что ее ско ро сть н е п ри бли ж ается к ско ро сти света.) П о скольку ко рп ус ракеты дви ж ется вверх, п ервом у си гн ал у п о н адо би тся п ро й ти м ен ьш ее 54
рассто ян и е, чем п реж де (до н ачала уско рен и я), и о н п ри будет к н и ж н ем у н аблю д ател ю ран ьш е чем через секун д у. Е сли бы ракета дви галась с п о сто ян н о й ско ро стью , то и вто ро й си гн ал п ри бы л бы ро вн о н асто лько ж е ран ьш е, так что и н тервал м еж ду двум я си гн алам и о стался бы равн ы м о дн ой секун де. Н о в м ом ен т о тп равки вто рого си гн ала благо даря уско рен и ю ракета дви ж ется бы стрее, чем в м ом ен т о тп равк и п ервого , так что вто ро й си гн ал п ро й дет м ен ьш ее рассто ян и е, чем п ервы й , и затрати т ещ е м ен ьш е врем ен и . Н аблю д атель вн и зу, свери вш и сь со сво и м и часам и , заф и кси р ует, что и н тервал м еж д у си гн алам и м ен ьш е о дн о й секун ды , и н е согласи тся с верхн и м н аблю дателем , ко то ры й утверж дает, что п о сы лал си гн алы то чн о через секун д у. В сл учае с уско ряю щ ей ся ракето й это т эф ф ект, веро ятн о , н е до лж ен о со бен н о уди влять. В кон ц е кон ц о в, м ы только что его о бъ ясн и ли ! Н о всп о м н и те: п ри н ц и п экви вален тн о сти го во ри т, что то ж е сам о е и м еет м есто, когда ракета п о ко и тся в грави тац и он н о м п о ле. С ледо вательн о , даж е если ракета н е уско ряется, а, н ап ри м ер, сто и т н а старто во м сто ле н а п оверхн о сти Зем ли , си гн алы , п о слан н ы е верхн и м н аблю дателем с и н тервало м в секун д у (со гласн о его часам ), буд ут п ри хо ди ть к н и ж н ем у н аблю дателю с м ен ьш и м и н тервало м (п о его часам ). В от это дей стви тельн о уди ви тельн о ! М о ж н о сп ро си ть: озн ачает ли это , что грави тац и я и зм ен яет течен и е врем ен и , и ли он а п ро сто н аруш ает рабо ту часо вы х м ехан и зм о в? П редп о лож и м , что н и ж н и й н аблю д атель п о дн и м ается н аверх, где о н и его п артн ер сверяю т п о казан и я свои х часо в. П о ско льку часы у н и х и ден ти чн ы , н аверн яка теп ерь он и уб едятся, что секун ды , о тм еряем ы е о бои м и С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
часам и , о ди н ако вы . Т о есть с часам и у н и ж н его н аблю дателя все в п о рядке. Г де бы часы н и о казали сь, о н и всегда и зм еряю т хо д врем ен и в дан н о м м есте. П о до бн о том у как сп ец и альн ая тео ри я отн о си тельн о сти гово ри т н ам , что врем я и дет п о -разн о м у для н аблю дател ей , дви ж у55
щ и хся др уг о тн о си тельн о друга, о бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти о бъ являет, что хо д врем ен и разли чен для н аблю дателей , н ахо дящ и хся в разн ы х грави тац и он н ы х п о лях. С о гласн о о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти н и ж н и й н аблю датель реги стри рует бо лее ко ро тки й и н тервал м еж ду си гн алам и , п о то м у что у п оверхн о сти Зем ли врем я течет м едлен н ее, п о ско льку здесь си льн ее грави тац и я. Ч ем си льн ее грави тац и о н н о е п о ле, тем бо льш е это т эф ф ект. Зако н ы дви ж ен и я Н ью то н а п о ло ж и ли кон ец и дее абсо лю тн ого п о лож ен и я в п ро стран стве. Т ео ри я о тн о си тельн о сти , как м ы ви ди м , п о стави ла крест н а абсо лю тн ом врем ен и . Д ан н о е п редсказан и е бы ло п роверен о в 1962 г. с п ом о щ ью п ары о чен ь то чн ы х часо в, устан о влен н ы х н а верш и н е и у п о дн о ж и я во до н ап о рн о й баш н и . Ч асы у о сн ован и я, ко то ры е бы ли бли ж е к Зем ле, ш ли м едлен н ее в то чн ом соо тветстви и с о бщ ей тео ри ей о тн о си тельн о сти . Э то т эф ф ект о чен ь м ал: часы , разм ещ ен н ы е н а п оверхн о сти С о лн ц а, ли ш ь н а м и н уту в го д о бго н яли бы таки е ж е часы , н ахо дящ и еся н а Зем ле. О дн ако с п о явлен и ем сверхто чн ы х н ави гац и о н н ы х си стем , п о лучаю щ и х си гн алы о т сп утн и ко в, разн о сть хо да часо в н а разли чн ы х вы сотах п ри о брела п ракти ческо е зн ачен и е. Е сли бы ап п аратура и гн о ри ро вала п редсказан и я о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти , о ш и бка в о п ределен и и м есто п о ло ж ен и я м о гла бы до сти гать н еско льки х ки ло м етров! Н аш и би о логи чески е часы такж е реаги рую т н а и зм ен ен и я хо да врем ен и . Е сли о ди н и з бли зн ец ов ж и вет н а верш и н е го ры , а др уго й — у м о ря, п ервы й будет стареть бы стрее вто ро го. И если и м до ведется встрети ться сн ова, о ди н и з н и х о каж ется старш е. В дан н о м сл учае разли чи е в во зрастах б уд ет н и что ж н ы м , н о о н о сущ ествен н о увели чи тся, ко ль ско ро о ди н и з бли зн ец ов о тп рави тся в до лго е п утеш естви е н а ко см и ческо м ко рабле, ко то ры й разго н яется до ско ро сти , бли зко й к светово й . К о гда стран н и к возврати тся, о н б удет н ам н о го м о ло ж е брата, о ставш его ся н а Зем ле. Э то т случ ай и звестен как п арадо кс бли зн ец ов, н о п ара56
до ксо м он является то лько для тех, кто держ и тся за и дею абсо лю тн ого врем ен и . В тео ри и о тн о си тельн о сти н ет н и како го ун и кальн ого абсо лю тн ого врем ен и — для каж дого и н ди ви дуум а и м еется сво я со бствен н ая м ера врем ен и , ко то рая зави си т о т то го, где о н н ахо ди тся и как дви ж ется. Д о 1915 г. п ро стран ство и врем я м ы сли ли сь как арен а, н а ко то рой разво рачи ваю тся со бы ти я, н и как ее сам у н е затраги ваю щ и е. Э то м ож н о сказать даж е о сп ец и альн о й тео ри и о тн о си тельн о сти . Т ела дви гали сь, си лы п ри тяги вали и ли отталки вали , н и как н е затраги вая врем ен и и п ро стран ства, ко то ры е п ро сто дли ли сь. К азало сь естествен н ы м д ум ать, что п ро стран ство и врем я бы ли и б уд ут всегда. О дн ако п о явлен и е о бщ ей теори и о тн о си тельн о сти в ко рн е и зм ен и ло си туац и ю . П ро стран ство и врем я о брели статус ди н ам и чески х сущ н о стей . К огда п ерем ещ аю тся тела и ли дей ствую т си лы , о н и вы зы ваю т и скри влен и е п ро стран ства и врем ен и , а структура п ро стран ства -врем ен и , в сво ю о чередь, сказы вается н а дви ж ен и и тел и дей стви и си л. П ро стран ство и врем я н е то лько вли яю т н а все, что случ ается во В селен н ой , н о и сам и о т всего этого зави сят. К ак н ево зм ож н о гово ри ть о со бы ти ях во В селен н ой вн е п о н яти й п ро стран ства и врем ен и , так п о сле п о явлен и я о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти стало бессм ы слен н ы м го во ри ть о п ро стран стве и врем ен и вн е п редело в В селен н ой . За десяти лети я, п ро ш едш и е с 1915 г., это н ово е п о н и м ан и е п ро стран ства и врем ен и ради кальн о и зм ен и ло н аш у карти н у м и ра. К ак вы узн аете далее, старая и дея о н еи зм ен н о м м и ро здан и и н авсегда уступ и ла м есто о бразу ди н ам и чн о й , расш и ряю щ ей ся В селен н о й , кото рая, п о всей ви ди м о сти , п о яви лась в о п ределен н ы й м о м ен т в п ро ш лом и , во зм о ж н о, п рекрати т сущ ество ван и е в н еко то ры й м ом ен т в буд ущ ем . С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• Гл ава седьм ая • РА С Ш И Р Я Ю Щ А Я С Я В С Е Л Е Н Н А Я Е сли п о см о треть н а н ебо ясн о й безл ун н о й н о чью , то сам ы м и ярки м и о бъ ектам и , ско рее всего , о каж утся п лан еты В ен ера, М арс, Ю п и тер и С атурн . А ещ е вы уви ди те ц ел ую ро ссы п ь звезд, п о хо ж и х н а н аш е С о лн ц е, н о расп о ло ж ен н ы х н ам н о го дальш е от н ас. Н еко то ры е и з эти х н еп о дви ж н ы х звезд в дей стви тельн о сти едва зам етн о см ещ аю тся др уг о тн о си тел ьн о др уга п ри дви ж ен и и Зем ли во круг С о лн ц а. О н и во все н е н еп о дви ж н ы ! Э то п рои схо ди т, п ото м у что таки е звезды н ахо дятся сравн и тельн о бли зко к н ам . В следстви е дви ж ен и я Зем ли во круг С о лн ц а м ы ви ди м эти бо лее бли зки е звезды н а ф он е бо лее далеки х и з разли чн ы х п о лож ен и й . Т о т ж е сам ы й эф ф ект н аблю дается, ко гда вы едете н а м аш и н е, а деревья у до роги сло вн о бы и зм ен яю т сво е п о ло ж ен и е н а ф о н е лан дш аф та, ухо дящ его к го ри зо н ту (ри с. 14). Ч ем бли ж е деревья, тем зам етн ее и х ви ди м о е дви ж ен и е. Т ако е и зм ен ен и е о тн о си тельн ого п о ло ж ен и я н азы вается п араллаксо м . В случ ае со звездам и это н асто ящ ая удач а для чело вечества, п о то м у что п араллакс п озво ляет н ам н еп о средствен н о и зм ери ть рассто ян и е до н и х. Р и с. 14. Зв ездн ы й п ар ал л ак с. Д ви ж етесь ли вы п о дороге и ли в косм осе, отн оси тельн о е п олож ен и е бли ж н и х и дальн и х тел и зм ен яется п о м ере ваш его дви ж ен и я. В ели чи н а эти х и зм ен ен и й м ож ет бы ть и сп ользован а для оп ределен и я расстоян и я м еж д у телам и .
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
59
С ам ая бли зкая звезда, П ро кси м а Ц ен тавра, удален а о т н ас п ри м ерн о н а четы ре световы х го да и л и со ро к м и лли о н ов м и лли о н о в ки ло м етро в. Б ольш и н ство други х звезд, ви ди м ы х н евоо руж ен н ы м глазо м , н ахо дятся в п ределах н еско льки х со тен свето вы х лет от н ас. Д ля сравн ен и я: о т Зем ли до С о лн ц а всего во сем ь световы х м и н ут! Звезды разбро сан ы п о всем у н о чн о м у н еб у, н о о со бен н о густо рассы п ан ы он и в п о ло се, ко то рую м ы н азы ваем М лечн ы м П утем . У ж е в 1750 г. н еко то ры е астро н ом ы вы сказы вали п редп о ло ж ен и е, что ви д М лечн ого П ути м ож н о о бъ ясн и ть, если счи тать, что бо льш и н ство ви ди м ы х звезд со бран ы в ди скоо бразн ую ко н ф и гур ац и ю , н ап о до би е тех, что м ы теп ерь н азы ваем сп и ральн ы м и галакти кам и . Т о лько через н еско лько десяти лети й ан гли й ски й астро н о м У и льям Г ерш ель п о дтверди л сп раведли во сть это й и деи , кроп о тли во п о дсчи ты вая чи сло звезд, ви ди м ы х в телеско п н а разн ы х участках н еба. Т ем н е м ен ее п о лн о е п ри зн ан и е эта и дея п о лучи ла ли ш ь в двадц ато м сто лети и . Т еп ерь м ы зн аем , что М лечн ы й П уть — н аш а Г алакти ка — раски н ул ся о т края до края п ри бли зи тельн о н а сто ты сяч свето вы х лет и м едлен н о вращ ается; звезды в его сп и ральн ы х р укавах со верш аю т о ди н о бо ро т во круг ц ен тра Г алакти ки за н еско лько со тен м и лли он ов лет. Н аш е С о лн ц е — сам ая о бы чн ая ж елтая звезда средн и х разм еро в — н ахо ди тся у вн утрен н его края о дн ого и з сп и ральн ы х р укаво в. О п ределен н о, м ы п ро делали дли н н ы й п уть со врем ен А ри сто теля и П то лем ея, ко гда лю ди счи тали Зем лю ц ен тро м В селен н о й . С о врем ен н ая карти н а В селен н о й н ачала п ро ри со вы ваться в 1924 г., когда ам ери кан ски й астро н ом Э дви н Х аббл до казал 1, что М лечн ы й П уть н е еди н ствен н ая галакти ка. О н откры л, что 1
С ерьезн ы е аргум ен ты в п ользу вн егалакти ческой п ри роды Т ум ан н ости А н дром еды и ряда други х объ ектов сущ ествовали и до Х аббла. О дн ако Х аббл п ервы м обн ар уж и л в Т ум ан н ости А н дром еды ц еф еи ды , п о которы м см ог оп ред ели ть расстоян и е и тем сам ы м доказал ее вн егалакти ческое расп ол ож ен и е. 60
сущ ествует м н ож ество др уги х звездн ы х си стем , разделен н ы х о бш и рн ы м и п усты м и п ро стран ствам и . Ч то бы п о дтверди ть это, Х аббл до лж ен бы л о п редели ть рассто ян и е о т Зем ли до др уги х галакти к. Н о галакти ки н ахо дятся так далеко , что , в о тли чи е о т бли ж ай ш и х звезд, дей ств и тельн о вы глядят н еп о дви ж н ы м и . Н е и м ея во зм ож н о сти и сп о льзо вать п араллакс для и зм ерен и я рассто ян и й до галакти к, Х аббл вы н уж ден бы л п ри м ен и ть ко свен н ы е м ето ды оц ен ки рассто ян и й . О чеви дн о й м еро й рассто ян и я до звезды является ее ярко сть. Н о ви ди м ая ярко сть зави си т н е только о т рассто ян и я до звезды , н о такж е и о т свети м о сти звезды — ко ли чества и сп ускаем о го ею света. Т усклая, н о бли зкая к н ам звезда затм и т сам о е ярко е свети ло и з о тдален н о й галакти ки . П о этом у, что бы и сп о льзо вать ви ди м ую ярко сть в качестве м еры рассто ян и я, м ы до лж н ы зн ать свети м о сть звезды . С вети м о сть бли ж ай ш и х звезд м о ж н о рассчи тать п о и х ви ди м о й ярко сти , п о ско льку благо даря п араллаксу м ы зн аем рассто ян и е до н и х. Х аббл зам ети л, что бли зки е звезды м ож н о класси ф и ц и ро вать п о характер у и сп ускаем о го и м и света. Звезды о дн ого класса всегда и м ею т о ди н аковую свети м о сть. Д алее о н п редп оло ж и л, что если м ы о бн ар уж и м звезды эти х классо в в далеко й галакти ке, то и м м ож н о п ри п и сать ту ж е свети м о сть, какую и м ею т п о до бн ы е звезды п о бли зо сти от н ас. Р асп о лагая такой и н ф о рм ац и ей , н есло ж н о вы чи сли ть рассто ян и е до галакти ки . Е сли вы чи слен и я, п ро делан н ы е для м н ож ества звезд в о дн о й и то й ж е галакти ке, даю т о дн о и то ж е рассто ян и е, то м ож н о бы ть уверен н ы м в п рави льн о сти н аш ей о ц ен ки . Т аки м сп о со бом Э дви н Х аббл вы чи сли л расс то ян и я до девяти разли чн ы х галакти к 1. 1
Здесь н еобход и м о сд елать ряд уточн ен и й . 1. И дея класси ф и кац и и звезд п о ти п ам п ри н адлеж и т н е Х аббл у. О сн овы соврем ен н ой (Г арвардской ) сп ектральн ой класси ф и кац и и звезд залож и л н а руб еж е XIX и Х Х вв. ам ери кан ски й астрон ом Э . К эн н он . 2. С вязь м еж д у свети м остью и сп ектральн ы м классом звезд обн ар уж и л тож е н е Х аббл, а Г ерц ш п рун г и Р ессел. 3. Н е все звезды одн ого сп ектральн ого класса и м ею т оди н аковую свети м ость — п очти в каж дом классе есть обы чн ы е звезды и звезды -ги ган ты зн ач и тельн о больш ей свети м ости . С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
4. О бы чн ы е звезды бы ли в те врем ен а н еразли чи м ы в др уги х галакти ках. П оэтом у Х аббл и сп ользовал для оц ен ки расстоян и я д о галакти к и м ен н о звезды -ги ганты , п ри чем н е обы чн ы е, а особ ого ти п а п ерем ен н ы е звезды — ц еф еи ды , свети м ость которы х п ери оди ч ески м ен яется. И х особен н ость состои т в том , что п ери од п ерем ен н ости н ап рям ую связан со свети м остью в м акси м ум е блеска. И м ен н о и зм еряя п ери од и зм ен ен и й блеска ц еф еи д в други х галакти ках, Х аббл см ог оп редел и ть и х свети м ость и расстоян и е д о н и х . 61
С его дн я м ы зн аем , что звезды , ви ди м ы е н евоо руж ен н ы м глазо м , со ставляю т н и что ж н ую до лю всех звезд. М ы ви ди м н а н ебе п ри м ерн о 5000 звезд — всего ли ш ь о ко ло 0,0001% о т чи сла всех звезд н аш ей Г алакти ки , М лечн о го П ути . А М лечн ы й П уть — ли ш ь о дн а и з бо лее чем со тн и м и лли ардо в галакти к, ко то ры е м о ж н о н аблю дать в со врем ен н ы е телеско п ы . И каж дая галакти ка со держ и т п о рядка со тн и м и лли ардо в звезд. Е сли бы звезда бы ла кр уп и н ко й соли , все звезды , ви ди м ы е н евоо руж ен н ы м глазом , ум ести ли сь бы в чай н о й лож ке, о дн ако звезды всей В селен н о й со стави ли бы ш ар ди ам етро м бо лее три н адц ати ки ло м етров. Звезды н асто лько далеки о т н ас, что каж утся светящ и м и ся то чкам и . М ы н е м о ж ем разли чи ть и х разм ер и ли ф о рм у. Н о , как зам ети л Х аббл, есть м н ого разли чн ы х ти п о в звезд, и м ы м ож ем разли чать и х п о ц вету и сп ускаем о го и м и и злуч ен и я 1. Н ью то н о бн аруж и л, что, если солн ечн ы й свет п ро п усти ть через трехгран н ую стеклян н ую п ри зм у, о н разло ж и тся н а со ставляю щ и е ц вета, п о до бн о рад уге (ри с. 15). О тн о си тельн ая и н тен си вн о сть разли чн ы х ц ветов в и злучен и и , и сп ускаем о м н еки м и сто чн и ко м света, н азы вается его сп ектром . Ф о куси р уя телеско п н а о тдельн о й звезде и ли галакти ке, м о ж н о и сследо вать сп ектр и сп ускаем о го и м и света. В чи сле п ро чего и злучен и е тела п о зво ляет суди ть о его тем п ературе. В 1860 г. н ем ец ки й ф и зи к Г устав К и рхго ф устан о ви л, что лю бо е м атери альн о е тело , н ап ри м ер звезда, буд учи н агреты м , 1
П ервы м это зам ети л н е Х аббл. Р азли чи е ц вета звезд известн о с гл уб окой древн ости . П ервы е п оп ы тки сп ектральн ой класси ф и кац и и звезд бы ли п редп ри н яты в серед и н е XIX в. 62
Р и с. 15. Зв ездн ы й сп ек тр . А н али зи руя сп ектр и злуч ен и я звезды , м ож н о оп ред ели ть как ее тем п ератур у, так и состав атм осф еры .
и сп ускает свет и ли друго е и злучен и е, п о до бн о том у как светятся раскален н ы е угли . С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
С вечен и е н агреты х тел о бусло влен о теп ло вы м д ви ж ен и ем ато м ов вн утри н и х. Э то н азы вается и злучен и ем черн ого тела (н есм о тря н а то что сам и н агреты е тела н е являю тся черн ы м и ). С п ектр черн о тельн ого и злучен и я тр удн о с чем -н и б удь п ереп утать: о н и м еет характерн ы й ви д, ко то ры й и зм ен яется с тем п ературо й тела (ри с. 16). П о это м у и зл учен и е н агрето го тела п о до бн о п о казан и ям терм ом етра. Н аблю даем ы й н ам и сп ектр и злучен и я разли чн ы х звезд всегда п о хо ж н а и злучен и е черн о го тела, это сво его ро да и звещ ен и е о тем п ературе звезды . 63
Р и с. 16. С п ек тр и зл уч ен и я ч ер н ого тел а. В се тела — а н е только звезды — и сп ускаю т и зл учен и е вследстви е теп лового дви ж ен и я составляю щ и х и х м и кроскоп и ч ески х части ц . Р асп ределен и е и зл уч ен и я п о частоте характери зует тем п ератур у тела.
Е сли вн и м ательн о и зучи ть звездн ы й свет, о н соо бщ и т н ам ещ е бо льш е и н ф о рм ац и и . М ы о бн аруж и м о тсутстви е н еко то ры х строго о п ределен н ы х ц ветов, п ри чем у разн ы х звезд о н и буд ут разн ы м и . И п о ско льку м ы зн аем , что каж ды й хи м и чески й элем ен т п огло щ ает характерн ы й для н его н або р ц ветов, то , сравн и вая эти ц вета с тем и , что о тсутствую т в сп ектре звезды , м ы см о ж ем то чн о оп редели ть, каки е элем ен ты п ри сутствую т в ее атм о сф ере. В 1920 -е гг., когда астрон о м ы н ачали и зучать сп ектры звезд в др уги х галакти ках, бы ло о бн аруж ен о н ечто о чен ь и н тересн о е: 64
это о казали сь те ж е сам ы е характерн ы е н або ры о тсутствую щ и х ц вето в, что и у звезд в н аш ей со бствен н о й галакти ке, н о все он и бы ли см ещ ен ы к красн о м у ко н ц у сп ектра, п ри чем в о ди н ако вой п ро п о рц и и . Ф и зи кам см ещ ен и е ц вета и ли часто ты и звестн о как эф ф ект Д о п лера. М ы все зн ако м ы с тем , как это явлен и е во здей ствует н а звук. П ри сл уш ай тесь к звук у п ро езж аю щ его м и м о вас автом о би ля. К огда о н п ри бли ж ается, звук его дви гателя и ли гудка каж ется вы ш е, а ко гда м аш и н а уж е п ро ехала м и м о и стала уд аляться, звук п о н и ж ается. П о ли ц ей ски й авто м о би ль, едущ и й к н ам со ско ро стью сто ки ло м етров в час, разви вает п ри м ерн о десятую до лю ско ро сти звука. Звук его си рен ы п редставляет со бой во лн у, чередо ван и е гребн ей и вп ади н . Н ап ом н и м , что рассто ян и е м еж ду бли ж ай ш и м и гребн ям и (и ли вп ади н ам и ) н азы вается дли н ой во лн ы . Ч ем м ен ьш е дл и н а во лн ы , тем бо льш ее чи сло ко лебан и й до сти гает н аш его уха каж д ую секун д у и тем вы ш е то н , и ли С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
часто та, звука. Э ф ф ект Д о п лера вы зван тем , что п ри бли ж аю щ и й ся авто м о би ль, и сп уская каж ды й след ую щ и й гребен ь звуко во й во лн ы , буд ет н ахо ди ться все бли ж е к н ам , и в результате рассто ян и я м еж д у гребн ям и о каж утся м ен ьш е, чем если бы м аш и н а сто яла н а м есте. Э то о зн ачает, что дли н ы п ри хо дящ и х к н ам во лн стан о вятся м ен ьш е, а и х часто та — вы ш е (ри с. 17). И н ао бо ро т, если авто м о би ль уд аляется, дли н а улавли ваем ы х н ам и во лн стан о ви тся бо льш е, а и х часто та — н и ж е. И чем бы стрее п ерем ещ ается авто м о би ль, тем си льн ее п ро является эф ф ект Д о п лера, что п о зво ляет и сп о льзо вать его для и зм ерен и я ско ро сти . С вет и ради о во лн ы вед ут себя п о до бн ы м ж е о бразо м . П о ли ц и я и сп о льзует эф ф ект Д о п лера для о п ределен и я ско ро сти авто м о би лей п утем и зм ерен и я дли н ы во лн ы о траж ен н о го о т н и х ради о си гн ала. С вет п редставляет со бо й ко лебан и я, и ли во лн ы , электро м агн и тн о го п о ля. К ак м ы о тм ечали в гл. 5, дли н а во лн ы ви ди м о го света чрезвы чай н о м ала — от со ро ка до во сьм и десяти 65
Р и с. 17. Э ф ф ек т Д оп л ер а. К огда и сточн и к, и сп ускаю щ и й волн ы , дви ж ется п о н ап равлен и ю к н аблю дателю , дли н а волн ум ен ьш ается. П ри удален и и и сточ н и ка он а, н ап роти в, увели чи вается. Э то и н азы ваю т эф ф ектом Д оп лера.
м и лли о н н ы х до лей м етра. Ч ело вечески й глаз во сп ри н и м ает свето вы е во лн ы разн о й дли н ы как разли чн ы е ц вета, п ри чем н аи бо льш ую дли н у и м ею т во лн ы , соо тветствую щ и е красн о м у ко н ц у сп ектра, а н аи м ен ьш ую — отн о сящ и еся к си н ем у ко н ц у. Т еп ерь п редставьте себе и сто чн и к света, н ахо дящ и й ся н а п о сто ян н о м рассто ян и и о т н ас, н ап ри м ер звезд у, и сп ускаю щ ую свето вы е во лн ы о п ределен н о й дли н ы . Д ли н а реги стри руем ы х во лн б удет тако й ж е, как у и сп ускаем ы х. Н о п редп о ло ж и м теп ерь, что и сто чн и к света н ачал о тдаляться о т н ас. К ак и в случае со звуко м , это п ри ведет к увели чен и ю дли н ы во лн ы света, а зн ачи т, сп ектр см ести тся в сто ро н у красн о го кон ц а. Д о казав сущ ество ван и е др уги х галакти к, Х аббл в п о след ую щ и е го ды зан и м ался о п ределен и ем рассто ян и й до н и х и н аблю 66
ден и ем и х сп ектро в. В то врем я м н о ги е п редп о лагали , что галакти ки дви ж утся бесп о рядо чн о, и о ж и дали , что чи сло сп ектро в, см ещ ен н ы х в си н ю ю сто ро н у, б удет п ри м ерн о таки м ж е, как чи сло см ещ ен н ы х в красн ую . П о это м у п о лн о й н еож и дан н о стью стало о ткры ти е того , что сп ектры бо льш и н ства галакти к дем о н стри рую т красн о е см ещ ен и е — п о чти все звездн ы е си стем ы уд аляю тся о т н ас! Е щ е бо лее уди ви тельн ы м о казался ф акт, о бн аруж ен н ы й Х аббло м и о бн аро дован н ы й в 1929 г.: вели чи н а красн о го С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
см ещ ен и я галакти к н е случ ай н а, а п рям о п ро п о рц и о н альн а и х удален н о сти о т н ас. Д р уги м и словам и , чем дальш е о т н ас галакти ка, тем бы стрее о н а удаляется! О тсю да вы текало, что В селен н ая н е м ож ет бы ть стати чн о й , н еи зм ен н о й в разм ерах, как счи тало сь ран ее. В дей стви тельн о сти о н а расш и ряется: рассто ян и е м еж ду галакти кам и п о сто ян н о растет. О со зн ан и е того , что В селен н ая расш и ряется, п ро и звело н асто ящ ую рево лю ц и ю в ум ах, о дн у и з вели чай ш и х в двадц ато м сто лети и . К огда о гляды ваеш ься н азад, м о ж ет п о казаться уди ви тельн ы м , что н и кто н е до дум ался до этого ран ьш е. Н ью то н и други е вели ки е ум ы до лж н ы бы ли п он ять, что стати ческая В селен н ая бы ла бы н естаби льн а. Д аж е если в н еко то ры й м о м ен т он а о казалась бы н еп о дви ж н о й , взаи м н о е п ри тяж ен и е звезд и галакти к бы стро п ри вело бы к ее сж ати ю . Д аж е если бы В селен н ая о тн о си тельн о м едлен н о расш и рялась, грави тац и я в кон ечн о м счете п олож и ла бы ко н ец ее расш и рен и ю и вы звала бы сж ати е. О дн ако , если ско ро сть расш и рен и я В селен н о й бо льш е н еко то ро й кри ти ческо й о тм етки , грави тац и я н и когда н е см ож ет его о стан о ви ть и В селен н ая п ро до лж и т расш и ряться вечн о. Здесь п ро см атри вается о тдален н о е схо дство с ракето й , п о дн и м аю щ ей ся с п оверхн о сти Зем ли . П ри о тн о си тельн о н и зко й ско ро сти тяго тен и е в ко н ц е ко н ц ов о стан о ви т ракету и о н а н ачн ет п адать н а Зем лю . С др уго й сто ро н ы , если ско ро сть ракеты вы ш е кри ти ческо й (бо льш е 11,2 ки лом етра в секун д у), тяго тен и е н е м о ж ет уд ерж ать ее и о н а н авсегда п о ки дает Зем лю . 67
И схо дя и з тео ри и тяго тен и я Н ью то н а тако е п оведен и е В селен н о й м огло бы ть п редсказан о в лю бо й м о м ен т в девятн адц атом и ли во сем н адц ато м веке и даж е в ко н ц е сем н адц ато го сто лети я. О дн ако вера в стати ческую В селен н ую бы ла сто ль си льн а, что забл уж ден и е со хран яло власть н ад ум ам и до н ачала двадц ато го сто лети я. Д аж е Э й н ш тей н бы л н асто лько уверен в стати чн о сти В селен н ой , что в 1915 г. вн ес сп ец и альн ую п о п равку в о бщ ую тео ри ю о тн о си тельн о сти , и скусствен н о до бави в в у равн ен и я о со бы й член , п о лучи вш и й н азван и е ко см о логи ческо й п о сто ян н о й , ко то ры й о бесп ечи вал стати чн о сть В селен н о й . К о см о ло ги ческая п о сто ян н ая п ро являлась как дей стви е н еко й н ово й си лы — «ан ти грави тац и и », ко то рая, в о тли чи е о т др уги х си л, н е и м ела н и какого о п ределен н ого и сто чн и ка, а п ро сто бы ла н ео тъ ем лем ы м сво й ством , п ри сущ и м сам о й ткан и п ро стран ства-врем ен и . П о д вли ян и ем это й си лы п ро стран ство -врем я о бн ар уж и вало врож ден н ую тен ден ц и ю к расш и рен и ю . П о дби рая вели чи н у ко см о ло ги ческо й п о сто ян н о й , Э й н ш тей н м о г вар ьи ро вать си лу дан н о й тен ден ц и и . С ее п ом о щ ью о н сум ел в то чн о сти уравн о веси ть взаи м н о е п ри тяж ен и е всей сущ ествую щ ей м атери и и п о лучи ть в результате стати ческую В селен н ую . П о зж е Э й н ш тей н о тверг и дею ко см о ло ги ческо й п о сто ян н о й , п ри зн ав ее сво ей «сам о й бо льш о й ош и бко й ». К ак м ы ско ро уб еди м ся, сего дн я есть п ри чи н ы п о лагать, что в кон ц е ко н ц ов Э й н ш тей н м о г все ж е бы ть п рав, вво дя ко см о ло ги ческую п о сто ян н ую . Н о Э й н ш тей н а, до лж н о бы ть, бо лее всего удр учало то, что о н п о зво ли л сво ей вере в н еп о дви ж н ую В селен н ую п ер ечеркн уть вы во д о том , что В селен н ая до лж н а расш и ряться, п редсказан н ы й его ж е со бствен н ой тео ри ей . К аж ется, то лько о ди н чело век разглядел это следстви е о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти и п ри н ял его всерьез. П о ка Э й н ш тей н и други е ф и зи ки и скали , как и збеж ать н естати чн о сти В селен н о й , ро сси й ски й ф и зи к и м атем ати к А лексан др Ф ри дм ан , н ао бо ро т, н астаи вал н а том , что о н а расш и ряется. 68
Ф ри дм ан сделал о тн о си тельн о В селен н о й два о чен ь п ро сты х п редп о лож ен и я: что о н а о ди н ако во вы гляди т, в каком бы н ап равлен и и м ы н и см о тр ели , и что дан н о е п о ло ж ен и е верн о, н езави си м о о т то го, и з како й то чки В селен н о й м ы см о три м . О п и раясь н а эти две и деи и реш и в уравн ен и я о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти , он до казал, что В селен н ая н е м ож ет бы ть стати ческой . Т аки м о бразом , в 1922 г., за н еско лько лет до откры ти я Э дви н а С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Х аббла, Ф ри дм ан в то чн о сти п редсказал расш и рен и е В селен н ой ! П редп о ло ж ен и е, что В селен н ая вы гляди т о ди н ако во в лю бо м н ап равлен и и , н е со всем соо тветствует дей стви тельн о сти . Н ап ри м ер, как м ы уж е зн аем , звезды н аш ей Г алакти ки ф о рм и рую т н а н о чн о м н ебе о тчетли вую светлую п о ло су — М лечн ы й П уть. Н о если м ы п о см отри м н а о тдален н ы е галакти ки , п о хож е, и х чи сло будет бо лее и ли м ен ее равн ы м во всех частях н еба. Т ак что В селен н ая вы гляди т п ри м ерн о о ди н ако во в лю бом н ап равлен и и , если н аблю дать ее в круп н о м м асш табе п о сравн ен и ю с рассто ян и ям и м еж ду галакти кам и и и гн о ри ро вать разли чи я в м алы х м асш табах. П редставьте себе, что вы в лесу, где деревья растут б есп о рядо чн о. П о см о трев в о дн о м н ап равлен и и , вы уви ди те бли ж ай ш ее дерево в м етре о т себя. В др уго м н ап равлен и и сам о е бли зко е дерево о бн аруж и тся н а рассто ян и и трех м етро в. В третьем вы уви ди те сразу н еско лько деревьев в о дн о м , двух и трех м етрах о т себя. Н еп о хо ж е, будто лес вы гляди т о ди н ако во в лю бом н ап равлен и и . Н о если п ри н ять во вн и м ан и е все деревья в ради усе ки ло м етра, такого ро да разли чи я усредн ятся и вы уви ди те, что лес о ди н ако в п о всем н ап равлен и ям (ри с. 18). Д о лго е врем я о дн о ро дн о е расп ределен и е звезд сл уж и ло до стато чн ы м о сн ован и ем для п ри н яти я ф ри дм ан овской м о дели в качестве п ервого п ри бли ж ен и я к реальн о й карти н е В селен н о й . Н о п о здн ее счастли вы й случай о бн ар уж и л ещ е о дн о п о дтверж ден и е того , что п редп о ло ж ен и е Ф ри дм ан а уди ви тельн о то чн о о п и сы вает В селен н ую . В 1965 г. два ам ери кан ски х ф и зи 69
Р и с. 18. И зотр оп н ы й л ес. Д аж е если расп ределен и е д еревьев в лесу в ц ел ом равн ом ерн о, п ри бли ж ай ш ем рассм отрен и и м ож ет оказаться, что он и м естам и растут гущ е. Т ак ж е и В селен н ая н е вы гляди т оди н аковой в бли ж ай ш ем к н ам косм и ческом п ростран стве, тогда как п ри увели ч ен и и м асш таба м ы н аблю даем оди н аковую карти н у, в каком бы н ап равлен и и н и вели н аблю ден и е.
ка, А рн о П ен зи ас и Р о берт В и льсо н и з «Б елл телеф о н лабо рато ри с» в Н ью -Д ж ерси , о тлаж и вали о чен ь чувстви тельн ы й м и крово лн о вы й п ри ем н и к. (М и кро во лн ам и н азы ваю т и злучен и е с дли н о й во лн ы о ко ло сан ти м етра.) П ен зи аса и В и льсон а бесп о кои ло , что п ри ем н и к реги стри ро вал бо льш и й уро вен ь ш ум а, чем о ж и дало сь. О н и о бн аруж и ли н а ан тен н е п ти чи й п о м ет и устран и ли др уги е п о тен ц и альн ы е п ри чи н ы сбо ев, н о ско ро и счерп али все во зм о ж н ы е и сто чн и ки п о м ех. Ш ум о тли чался тем , что реги стри ро вался кр углы е сутки в течен и е всего го да н езави си м о о т вращ ен и я Зем ли во круг сво ей о си и ее о бращ ен и я во кр уг С о лн ц а. Т ак как дви ж ен и е Зем ли н ап равляло п ри ем н и к в разли чн ы е секто ра ко см о са, П ен зи ас и В и льсо н заклю чи ли , что ш ум п ри хо ди т и з-за п ределов С о лн еч н о й си стем ы и даж е 70
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
и з-за п редело в Г алакти ки . К азало сь, о н ш ел в равн о й м ере со всех сто ро н ко см о са. Т еп ерь м ы зн аем , что, куда бы н и бы л н ап равлен п ри ем н и к, это т ш ум о стается п о сто ян н ы м , н е счи тая н и чтож н о м алы х вари ац и й . Т ак П ен зи ас и В и льсон случай н о н аткн ули сь н а п о рази тельн ы й п ри м ер, п о дкреп ляю щ и й п ервую ги п о тезу Ф ри дм ан а о том , что В селен н ая о ди н ако ва во всех н ап равлен и ях. К ако во п ро и схо ж ден и е это го ко см и ческо го ф он ово го ш ум а? П ри м ерн о в то ж е врем я, ко гда П ен зи ас и В и льсо н и сследовали загадочн ы й ш у м в п ри ем н и ке, два ам ери кан ски х ф и зи ка и з П ри н сто н ско го ун и верси тета, Б о б Д и к и Д ж и м П и блс, то ж е заи н тересовали сь м и крово лн ам и . О н и и зучали п редп о лож ен и е Г ео рги я (Д ж о рдж а) Г ам ова (в п рош ло м студ ен та А лексан дра Ф ри дм ан а) о то м , что н а ран н и х стади ях разви ти я В селен н ая бы ла о чен ь п лотн о й и до бела раскален н о й . Д и к и П и блс п о лагали , что если это п равда, то м ы до лж н ы и м еть во зм о ж н о сть н аблю дать свечен и е ран н ей В селен н ой , п о ско льку свет о т о чен ь далеки х о бластей н аш его м и ра п ри хо ди т к н ам то лько сей час. О дн ако вс ледстви е расш и рен и я В селен н о й это т свет до лж ен бы ть сто ль си льн о см ещ ен в красн ы й ко н ец сп ектра, что п реврати тся и з ви ди м ого и злучен и я в м и кро во лн ово е. Д и к и П и блс как раз гото ви ли сь к п ои скам этого и злуч ен и я, ко гда П ен зи ас и В и льсо н , услы ш ав о б и х рабо те, п о н яли , что уж е н аш ли его. За эту н ахо дку П ен зи ас и В и льсо н бы ли в 1978 г. удо сто ен ы Н о белевско й п рем и и (что каж ется н еско лько н есп раведли вы м в о тн о ш ен и и Д и ка и П и блса, н е гово ря уж е о Г ам о ве). Н а п ервы й взгляд то т ф акт, что В селен н ая вы гляди т о ди н ако во в лю бо м н ап равлен и и , сви детельствует о том , что м ы зан и м аем в н ей како е-то о со бен н о е м есто. В частн о сти , м ож ет п о казаться, что раз все галакти ки удал яю тся о т н ас, то м ы до лж н ы н ахо ди ться в ц ен тре В селен н о й . Е сть, о дн ако, друго е о бъ ясн ен и е это го ф ен ом ен а: В с елен н ая м о ж ет вы глядеть о ди н аково во всех н ап равлен и ях такж е и п ри взгляде и з лю бо й др уго й галак 71
ти ки . Е сли п о м н и те, и м ен н о в это м и со сто яло вто ро е п редп о ло ж ен и е Ф ри дм ан а. М ы н е расп о лагаем н и каки м и н аучн ы м и аргум ен там и за и ли п ро ти в вто ро й ги п о тезы Ф ри дм ан а. С то лети я н азад хри сти ан ская ц ерко вь п ри зн ала бы его ерети чески м , так как ц ерко вн ая до ктри н а п о стули ро вала, что м ы зан и м аем о со бо е м есто в ц ен тре м и роздан и я. Н о сего дн я м ы п ри н и м аем это п редп о ло ж ен и е Ф ри дм ан а п о едва ли н е п ро ти во п о лож н о й п ри чи н е, и з сво его ро да скро м н о сти : н ам п о казало сь бы соверш ен н о уди ви тельн ы м , если бы В селен н ая вы глядела о ди н ако во во всех н ап равлен и ях то лько для н ас, н о н е для др уги х н аблю дателей во В селен н о й ! В о ф ри дм ан о вско й м о дели В селен н о й все галакти ки уд аляю тся др уг о т д р уга. Э то н ап ом и н ает расп о лзан и е ц ветн ы х п ятен н а п оверхн о сти н адуваем о го во здуш н о го ш ара. С ро сто м разм еро в ш ара увели чи ваю тся и расстоян и я м еж д у лю бы м и двум я п ятн ам и , н о п ри это м н и о дн о и з п ятен н ельзя счи тать ц ен тро м расш и рен и я. Б о лее то го, если ради ус возд уш н о го ш ара п о сто ян н о растет, то чем дальш е друг от друга н ахо дятся п ятн а н а его п оверхн о сти , тем бы стрее он и буд ут удаляться п ри расш и рен и и . Д о п усти м , что ради ус возд уш н о го ш ара удваи вается каж д ую секун д у. Т огда два п ятн а, разделен н ы е п ервон ачальн о р ассто ян и ем в о ди н сан ти м етр, через секун д у о каж утся уж е н а рассто ян и и двух сан ти м етро в друг о т друга (если и зм ерять вдо ль п о верхн о сти во здуш н о го ш ара), так что и х о тн о си тельн ая ско ро сть со стави т о ди н сан ти м етр в секун д у. С др уго й сто ро н ы , п ара п ятен , ко то ры е бы ли о тделен ы десятью сан ти м етрам и , через секун д у п о сле н ачала расш и рен и я разо й дутся н а двадц ать сан ти м етров, так что и х о тн о си тельн ая ско ро сть б удет десять сан ти м етров в секун д у (ри с. 19). Т о чн о так ж е в м о дели Ф ри дм ан а ско ро сть, с ко то ро й лю бы е две галакти ки удаляю тся др уг о т друга, п ро п о рц и о н альн а рассто ян и ю м еж д у н и м и . Т ем сам ы м м о дель п редсказы вает, что красн о е см ещ ен и е галакти ки до лж н о бы ть п рям о 72
п роп о рц и о н альн о ее уд ален н о сти о т н ас — это та сам ая зави си м о сть, ко то рую п о здн ее о бн аруж и л Х аббл. Х о тя Ф ри дм ан у удало сь п редло ж и ть удачн ую м о дель и п редво схи ти ть С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
результаты н аблю ден и й Х аббла, его рабо та о ставалась п о чти н еи звестн ой н а Зап аде, п о ка в 1935 г. ан ало ги чн ая м о дель н е бы ла п редлож ен а ам ери кан ски м ф и зи ком Г овардо м Р о бертсо н о м и бри тан ски м м атем ати ко м А ртуро м У о керо м уж е п о следам о ткры того Х аббло м расш и рен и я В селен н о й . Ф ри дм ан п редлож и л то лько о дн у м о дель В селен н ой . Н о п ри сделан н ы х и м п редп о ло ж ен и ях уравн ен и я Э й н ш тей н а доп ускаю т три класса реш ен и й , то есть сущ ествует три разн ы х ти п а ф ри дм ан о вски х м о делей и три разли чн ы х сц ен ари я разви ти я В селен н о й . П ервы й класс реш ен и й (то т, ко то ры й н аш ел Ф ри дм ан ) п редп о лагает, что расш и рен и е В селен н о й п ро и схо ди т до стато чн о м едлен н о, так что п ри тяж ен и е м еж ду галакти кам и п о степ ен н о зам едляет и в ко н ечн ом счете о стан авли вает его. П о сле это го галакти ки н ачи н аю т сбли ж аться, а В селен н ая — сж и м аться. В соо тветстви и со вто ры м классо м реш ен и й В селен н ая расш и ряется н асто лько бы стро, что грави тац и я ли ш ь н ем н ого зам едли т разбеган и е галакти к, н о н и когда н е см ож ет о стан о ви ть его. Н ако н ец , есть третье реш ен и е, согласн о кото ро м у В сел ен н ая расш и ряется как раз с тако й ско ро стью , что бы то лько и збеж ать схло п ы ван и я. С о врем ен ем ско ро сть разлета галакти к стан ови тся все м ен ьш е и м ен ьш е, н о н и когда н е до сти гает н ул я. У ди ви тельн ая о со бен н о сть п ерво й м о дели Ф ри дм ан а — то , что в н ей В селен н ая н е беско н ечн а в п ро стран стве, н о п ри это м н и где в п ро стран стве н ет н и каки х гран и ц . Г рави тац и я н асто лько си льн а, что п ро стран ство сверн уто и зам ы кается н а себя. Э то до н еко то ро й степ ен и схож е с п оверхн о стью Зем ли , ко то рая то ж е кон ечн а, н о н е и м еет гран и ц . Е сли дви гаться п о п оверхн о сти Зем ли в оп ределен н ом н ап равлен и и , то н и когда н е н ато лкн еш ься н а н еп рео до ли м ы й барьер и ли край света, н о в ко н ц е кон ц о в 73
Р и с. 19. Р асш и р я ю щ ая ся В сел ен н ая в оздуш н ого ш ар а . В сл едстви е расш и рен и я В селен н ой галакти ки удаляю тся друг от др уга. С течен и ем врем ен и расстоян и е м еж д у далеки м и звездн ы м и островам и увели чи вается си льн ее, чем м еж д у бли зки м и галакти кам и, п одобн о том у как это п рои сх оди т с п ятн ам и н а раздуваю щ ем ся возд уш н о м ш аре. П оэтом у н аблю дателю и з лю бой галакти ки скор ость удален и я др угой галакти ки каж ется тем больш е, чем дальш е он а расп олож ен а.
верн еш ься туда, о ткуда н ачал п уть. В п ерво й м о дели Ф ри дм ан а п ро стран ство устро ен о то чн о так ж е, н о в трех и зм ерен и ях, а н е в двух, как в сл учае п о верхн о сти Зем ли . И дея о том , что м о ж н о о богн уть В селен н ую и верн уться к и схо дн о й то чке, хо ро ш а для н аучн о й С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
ф ан тасти ки , н о н е и м еет п ракти ческого зн ачен и я, п о ско льку, как м о ж н о до казать, В селен н ая со ж м ется в то чку п реж де, чем п утеш еств ен н и к верн ется в к н ачал у сво его п ути . В селен 74
н ая н асто лько вели ка, что н уж н о дви гаться бы стрее света, что бы усп еть зако н чи ть стран стви е там , где вы его н ачали , а таки е ско ро сти зап рещ ен ы (теори ей о тн о си тельн о сти . — П ерев.). В о вто рой м о дели Ф ри дм ан а п ро стран ство такж е и скри влен о , н о и н ы м о бразо м . И то лько в третьей м о дели круп н о м асш табн ая геом етри я В селен н о й п ло ская (хо тя п ро стран ство и скри вляется в о крестн о сти м асси вн ы х тел). К акая и з м о делей Ф ри дм ан а о п и сы вает н аш у В селен н ую ? О стан о ви тся ли ко гда-н и будь расш и рен и е В селен н о й , и см ен и тся ли о н о сж ати ем , и ли В селен н ая б уд ет расш и ряться вечн о ? О казало сь, что о твети ть н а это т во п ро с трудн ее, чем п о н ачалу п редставляло сь учен ы м . Е го реш ен и е зави си т главн ы м о бразом о т двух вещ ей — н аблю даем о й н ы н е ско ро сти расш и рен и я В селен н о й и ее сего дн яш н ей средн ей п лотн о сти (ко ли чества м атери и , п ри хо дящ его ся н а еди н и ц у о бъ ем а п ро стран ства). Ч ем вы ш е текущ ая ско ро сть расш и рен и я, тем бо льш ая грави тац и я, а зн ачи т, и п ло тн о сть вещ ества, треб уется, что бы о стан о ви ть расш и рен и е. Е сли средн яя п ло тн о сть вы ш е н еко то рого кри ти ческого зн ачен и я (оп ределяем ого ско ро стью расш и рен и я), то грави тац и о н н о е п ри тяж ен и е м атери и см о ж ет о стан о ви ть расш и рен и е В селен н ой и застави ть ее сж и м аться. Т ако е п оведен и е В селен н о й о твечает п ерво й м о дели Ф ри дм ан а. Е сли средн яя п ло тн о сть м ен ьш е кри ти ческо го зн ачен и я, то гда грави тац и он н о е п ри тяж ен и е н е о стан ови т расш и рен и я и В селен н ая б уд ет расш и ряться вечн о — как во вто ро й ф ри дм ан о вско й м о дели . Н ако н ец , если средн яя п ло тн о сть В селен н о й в то чн о сти равн а кри ти ческо м у зн ачен и ю , расш и рен и е В селен н ой б удет вечн о зам едляться, все бли ж е п о дхо дя к стати ческо м у со сто ян и ю , н о н и когда н е до сти гая его . Э то т сц ен ари й соответствует третьей м о дели Ф ри дм ан а. Т ак какая ж е м о дель верн а? М ы м ож ем оп редели ть н ы н еш н и е тем п ы расш и рен и я В селен н о й , если и зм ери м ско ро сть удален и я о т н ас др уги х галакти к, и сп о льзуя эф ф ект Д о п лера. Э то 75
м ож н о сделать о чен ь то чн о. О дн ако рассто ян и я до галакти к и звестн ы н е о чен ь хо ро ш о, п о ско льку м ы м о ж ем и зм ерять и х то лько ко свен н о . П о этом у н ам и звестн о ли ш ь то , что ско ро сть расш и рен и я В селен н о й со ставляет о т 5 до 10% за м и лли ард лет. Е щ е бо лее расп лы вчаты н аш и зн ан и я о н ы н еш н ей средн ей п ло тн о сти В селен н о й . Т ак, если м ы сло ж и м м ассы всех ви ди м ы х звезд в н аш ей и др уги х галакти ках, сум м а б удет м ен ьш е со то й до ли то го, что треб уется для о стан овки расш и рен и я В селен н о й , даж е п ри сам о й н и зкой о ц ен ке ско ро сти расш и рен и я. Н о это далеко н е все. Н аш а и други е галакти ки до лж н ы со держ ать больш о е ко ли чество н еко й «тем н о й м атери и », ко то рую м ы н е м ож ем н аблю дать н еп о средствен н о , н о о сущ ество ван и и ко то ро й м ы зн аем благо даря ее грави тац и о н н ом у во здей стви ю н а о рби ты звезд в галакти ках. В о зм ож н о, лучш и м сви детельство м сущ ество ван и я тем н ой м атери и являю тся о рби ты звезд н а п ери ф ери и сп и ральн ы х галакти к, п о до бн ы х М лечн о м у П ути . Э ти звезды о бращ аю тся во круг сво и х галакти к сли ш ком бы стро , что бы и х м огло уд ерж и вать н а о рби те п ри тяж ен и е о дн и х то лько ви ди м ы х звезд галакти ки . К ро м е то го, бо льш и н ство галакти к вхо дят в со став ско п лен и й , и м ы м ож ем ан ало ги чн ы м о бразо м сделать вы во д о п ри сутстви и тем н ой м атери и м еж д у галакти кам и в эти х ско п лен и ях п о ее вли ян и ю н а дви ж ен и е галакти к. Ф акти чески ко ли чество тем н о й м атери и во В селен н ой зн ачи тельн о п ревы ш ает ко ли чество о бы чн ого вещ ества. Е сли учесть всю тем н ую м атери ю , м ы п о лучи м п ри бли зи тельн о десятую часть о т то й м ассы , кото рая н ео бхо ди м а для о стан овки расш и рен и я. Н ельзя, о дн ако , и склю чать сущ ество ван и я др уги х, ещ е н е и звестн ы х н ам ф о рм м атери и , расп ределен н ы х п о чти равн о м ерн о п овсю д у во В селен н о й , что м о гло бы С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
п овы си ть ее средн ю ю п ло тн о сть. Н ап ри м ер, сущ ествую т элем ен тарн ы е части ц ы , н азы ваем ы е н ей три н о , ко то ры е о чен ь слабо взаи м о дей ствую т с вещ ество м и ко то ры е чрезвы чай н о трудн о о бн аруж и ть. 76
(В о дн о м и з н овы х н ей три н н ы х эксп ери м ен то в и сп о льзуется п о дзем н ы й резервуар, зап о лн ен н ы й 50 ты сячам и т онн во ды .) С чи тается, что н ей три н о н евесо м ы и п о этом у н е вы зы ваю т грави тац и он н о го п ри тяж ен и я 1. О дн ако и сследован и я н еско льки х п о следн и х лет сви детельствую т, что н ей три н о все ж е о бладает н и чтож н о м ало й м ассо й , кото рую ран ее н е уд авало сь заф и кси ро вать. Е сли н ей тр и н о и м ею т м ассу, о н и м огли бы бы ть о дн о й и з ф о рм тем н о й м атери и . Т ем н е м ен ее, даж е с учето м тако й тем н ой м атери и , во В селен н ой , п о хож е, го раздо м ен ьш е вещ ества, чем н ео бхо ди м о для о стан о вки ее расш и рен и я. Д о н едавн его врем ен и бо льш и н ство ф и зи ко в схо ди ло сь н а то м , что бли ж е всего к реальн о сти вто рая м о дель Ф ри дм ан а. Н о затем п о яви ли сь н о вы е н аблю ден и я. За п о следн и е н еско лько лет разн ы е груп п ы и сследо вателей и зучали м ельчай ш ую рябь того м и кро во лн о вого ф о н а, ко то ры й о бн аруж и ли П ен зи ас и В и льсо н . Р азм ер это й р яби м о ж ет служ и ть и н ди като ро м кр уп н о м асш табн ой структуры В селен н ой . Е е характер, п о хо ж е, указы вает, что В селен н ая все-таки п ло ская (как в третьей м о дели Ф ри дм ан а)! Н о п о ско льку сум м арн о го ко ли чества о бы чн о й и тем н о й м атери и для это го н едо статочн о, ф и зи ки п о стули ро вали сущ ество ван и е др уго й , п о ка н е о бн аруж ен н о й , субстан ц и и — тем н о й эн ерги и . И сло вн о для то го, что бы ещ е больш е усло ж н и ть п ро блем у, н едавн и е н аблю ден и я п о казали , что расш и рен и е В селен н ой н е 1
Д аж е если н ей три н о н е и м ею т м ассы п окоя и дви ж утся со скор остью света, он и все равн о, п одоб н о ф отон ам , обладаю т эн ерги ей , а зн ачи т, экви вален тн ой м ассой и участвую т в грави тац и он н ом взаим одей стви и . С ум м арн ая эн ерги я таки х н ей три н о сли ш ком м ала, чтобы п овли ять н а судьб у В селен н ой , н о ф орм альн о утверж ден и е о то м , что безм ассовы е части ц ы н е вы зы ваю т грави тац и он н ого п ри тяж ен и я, н е совсем точн о. В сам ы е п оследн и е годы в н ей три н н ой обсерватори и С эдбери в К ан аде и на яп он ском н ей три н н ом детекторе KamLAND п ол учен ы н адеж н ы е дан н ы е о том , что н ей три н о и м ею т хотя и очен ь н еб ольш ую , н о отли чн ую от н уля м ассу п окоя. 77
зам едляется, а ускоряет ся. В о п реки всем м о делям Ф ри дм ан а! Э то о чен ь стран н о , п о ско льку п ри сутстви е в п ро стран стве вещ ества — вы со кой и ли н и зкой п ло тн о сти — м ож ет то лько зам едлять расш и рен и е. В едь грави тац и я в сегда дей ствует как си л а п ри тяж ен и я. У ско рен и е ко см о логи ческо го расш и рен и я — это все равн о что бо м ба, ко то рая со би рает, а н е рассеи вает эн ерги ю п о сле взры ва. К акая си ла о тветствен н а за уско ряю щ ееся расш и рен и е ко см о са? Н и у ко го н ет н адеж н о го о твета н а это т во п ро с. О дн ако , во зм ож н о, Э й н ш тей н все-таки бы л п рав, когда ввел в свои уравн ен и я ко см о ло ги ческую п о сто ян н ую (и соо тветствую щ и й ей эф ф ект ан ти грави тац и и ). С разви ти ем н овы х техн о логи й и п о явлен и ем п рево схо дн ы х ко см и чески х телеско п о в м ы стали то и дело узн авать о В селен н о й уд и ви тельн ы е вещ и . И во т хо ро ш ая н ово сть: теп ерь н ам и звестн о , что В селен н ая п ро долж и т в бли ж ай ш ее врем я расш и ряться с п о сто ян н о во зрастаю щ ей ско ро стью , а врем я обещ ает дли ться вечн о , п о край н ей м ере для тех, ко м у хвати т благо разум и я н е уго ди ть в черн ую ды р у. Н о что ж е бы ло в сам ы е п ервы е м гн овен и я? К ак н ачи н алась В селен н ая, и что застави ло ее расш и ряться?
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• Гл ава восьм ая • Б О Л Ь Ш О Й В ЗР Ы В , Ч Е Р Н Ы Е Д Ы Р Ы И ЭВО Л Ю Ц И Я ВС ЕЛ ЕН Н О Й В м о дели Ф ри дм ан а четверто е и зм ерен и е В селен н ой — врем я, — как и п ро стран ство , и м еет о гран и чен н ую п ро тяж ен н о сть. О н о п о добн о о трезку, и м ею щ ем у два ко н ц а и ли две гран и ц ы . Т ак что у врем ен и есть кон ец и есть н ачало . Ф акти чески все реш ен и я уравн ен и й Э й н ш тей н а, п о лучен н ы е для того ко ли чества м атери и , ко то ро е м ы н аблю даем во В селен н о й , и м ею т о дн у о чен ь важ н ую о б щ ую характери сти ку: н еко гда в п ро ш ло м (п ри бли зи тельн о 13,7 м и лли арда лет н азад) рассто ян и е м еж ду со седн и м и галакти кам и до лж н о бы ло равн яться н улю . Д р уги м и словам и , вся В селен н ая бы ла сж ата в то чк у н улево го разм ера, сф ер у с н ул евы м ради усо м . П ло тн о сть В селен н о й и кри ви зн а п ро стран ства-врем ен и до лж н ы бы ли тогда бы ть беско н ечн ы м и . Э то т м о м ен т м ы н азы ваем Б о льш и м В зры во м . В се н аш и ко см о логи чески е тео ри и осн о ван ы н а п редп о лож ен и и , что п ро стран ство -врем я гладко е и п о чти п ло ское. Э то о зн ачает, что все дан н ы е тео ри и н ар уш аю тся в м о м ен т Б о льш ого В зры ва, ведь п ро стран ство -врем я беско н ечн о й кри ви зн ы тр удн о н азвать п о чти п ло ски м ! Т аки м о бразо м , если что -то 79
и п редш ество вало Б о льш о м у В зры ву, о н о н е даст клю ч а к п о н и м ан и ю то го, что сл учи ло сь п о зж е, п о то м у что п редсказуем о сть н аруш ается в м о м ен т Б о льш ого В зры ва. А н ало ги чн о , зн ая то лько то, что случи ло сь п о сле н его, м ы н е м ож ем о п редели ть, что бы ло ран ьш е. С о бы ти я, п редш ество вавш и е Б о льш о м у В зры ву, н е м огут и м еть н и каки х п о следстви й для н ас и п о этом у н е до лж н ы п ри н и м аться в расчет п ри н аучн о м оп и сан и и В селен н о й . М ы до лж н ы и склю чи ть и х и з сво ей м о дели и счи тать, что Б о льш о й В зры в бы л н ачало м врем ен и . В о п ро с о то м , кто создал усло ви я для Б о льш о го В зры ва, и други е п о до бн ы е во п ро сы н е являю тся н аучн ы м и . Е щ е о дн ой бескон ечн о й вели чи н ой во В селен н ой н ул евы х разм еров до лж н а бы ть тем п ература. С чи тается, что в м о м ен т Б ольш о го В зры ва В селен н ая бы ла беско н ечн о горячей . В п роц ессе ее расш и рен и я тем п ература и зл уч ен и я п он и ж алась. И п о ско льку тем п ература является м ерой средн ей эн ерги и — и ли ско ро сти — части ц , о хлаж ден и е В селен н о й до лж н о бы ло и м еть серьезн ы е п о следстви я для м атери и . П ри о чен ь вы со ки х тем п ературах стрем и тельн о е дви ж ен и е части ц п реп ятство вало и х взаи м н о м у п ри тяж ен и ю п о д дей стви ем ядерн ы х и ли электро м агн и тн ы х си л, н о с п о н и ж ен и ем тем п ературы части ц ы стали п ри тяги ваться и со еди н яться друг с друго м . Д аж е ти п ы сущ ествую щ и х во В селен н о й части ц зави сят о т ее тем п ературы , а зн ачи т, и о т во зраста. А ри сто тель н е вери л, что вещ ество со сто и т и з части ц . О н п о лагал, что м атери я является н еп реры вн о й . П о А ри сто телю ее м ож н о бескон ечн о дели ть н а все м ен ьш и е и м ен ьш и е части и н и когда н е н ато лкн уться н а н едели м ую «кр уп и ц у». О дн ако н еко то ры е древн егречески е м ы сли тели , н ап ри м ер Д ем о кри т, дум али , что м атери и п ри су щ а «зерн и сто сть» и что все в п ри ро де со сто и т и з о гром н о го чи сла ато м о в разли чн о го ви да. (С ло во «атом » о зн ачает в п ерево де с греческого «н едели м ы й ».) М ы теп ерь зн аем , что это верн о е п редставлен и е — п о край н ей м ере, 80
в о круж аю щ ей н ас среде и п ри н ы н еш н ем со сто ян и и В селен н о й . Н о атом ы н аш ей В селен н о й сущ ество вали н е всегда, о н и н е являю тся н едели м ы м и и п редставляю т со бо й ли ш ь н ебо льш ую часть всего разн оо брази я части ц во В селен н о й . А то м ы со сто ят и з части ц м ен ьш его разм ера: электро н о в, п рото н о в и н ей тро н о в. П р о то н ы и н ей трон ы , в сво ю о чередь, п о стро ен ы и з ещ е бо лее м и н и атю рн ы х части ц , н азы ваем ы х кваркам и . К ро м е того , каж дом у ти п у субато м н ы х части ц соо тветствую т ан ти части ц ы . О н и и м ею т такую ж е м ассу, н о п ро ти во п о ло ж н ы й электри чески й заряд и др уги е характери сти ки . Н ап ри м ер, ан ти части ц а электро н а, н азы ваем ая п ози тро н ом , и м еет С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
п о лож и тельн ы й заряд, п ро ти воп о ло ж н ы й о три ц ательн о м у заряд у электро н а. В о зм о ж н о, сущ ествую т ц елы е ан ти м и ры и ан ти лю ди , состо ящ и е и з ан ти части ц . О дн ако ж е, если части ц а и ан ти части ц а встретятся, о н и взаи м н о ун и что ж аю тся. Т ак что, если вам до ведется встрети ть сво е ан ти -я, н е о бм ен и вай тесь с н и м руко п о ж ати ем ! В ы о ба и счезн ете в о слеп и тельн о й всп ы ш ке света. С вето вую эн ерги ю п ерен о сят части ц ы друго го ти п а — безм ассо вы е ф о то н ы . Д ля Зем ли бли ж ай ш и м и круп н ей ш и м п о ставщ и ко м ф о то н ов служ и т ядерн о е п екло С о лн ц а. О н о в и зо би ли и п о ставляет и др уги е части ц ы — уп о м и н авш и еся вы ш е н ей три н о (и ан ти н ей три н о). Н о эти п о следн и е, буд учи чрезвы чай н о легки м и , п о чти н е взаи м о дей ствую т с вещ ество м и п о то м у п ро хо дят скво зь н ас м и лли ардам и каж д ую секун д у, н е п ро и зво дя н и како го эф ф екта. Х о рош о и звестн о, что ф и зи ки о бн ар уж и ли десятки ти п о в элем ен тарн ы х части ц . В о В селен н о й , п ретерп еваю щ ей слож н ы е эво лю ц и о н н ы е и зм ен ен и я, н або р эти х части ц тож е эво лю ц и о н и ро вал. И м ен н о эта эво лю ц и я сделала во зм о ж н ы м во зн и кн о вен и е п лан ет, п о до бн ы х н аш ей , и ж и вы х сущ еств, п о до бн ы х н ам . Ч ерез секун д у п о сле Б о льш ого В зры ва В селен н ая расш и ри лась до стато чн о , что бы ее тем п ература уп ала п ри бли зи тельн о до 81
десяти м и лли ардов градусо в Ц ельси я. Э то в ты сяч у раз бо льш е, чем в ц ен тре С о лн ц а, н о п о до бн ы е тем п ературы о тм ечали сь п ри взры вах во до ро дн ы х бо м б. В то врем я во В селен н о й п ри сутство вали главн ы м о бразом ф о то н ы , электро н ы , н ей три н о и и х ан ти части ц ы , а такж е го раздо м ен ьш ее чи сло п ро то н о в и н ей тро н о в. Т о гд а части ц ы о бладали н асто лько вы со ко й эн ерги ей , что, сталки ваясь, п о рож дали м н ож ество разли чн ы х п ар части ц а— ан ти части ц а. Н ап ри м ер, сто лкн овен и е ф о то н ов м о гло п о ро ди ть электро н и его ан ти части ц у, п ози тро н . Н еко то ры е и з таки х вн овь возн и кш и х части ц , сталки вая сь со сво и м и бли зн ец ам и -ан ти части ц ам и , ан н и ги ли ровали . В сяки й раз, когда электрон встречается с п о зи тро н о м , о н и ун и что ж аю тся, н о о братн ы й п роц есс н е так п ро ст. Д ля того что бы две безм ассовы е части ц ы , таки е как ф о то н ы , м о гли п о ро ди ть п ар у части ц а— ан ти части ц а, н ап ри м ер электро н и п ози тро н , безм ассовы м части ц ам н адо о бладать н еко то рой м и н и м альн о й эн ерги ей . Э лектро н и п о зи тро н и м ею т м ассу, и эта вн о вь создаваем ая м асса до лж н а п о рож даться эн ерги ей сталки ваю щ и хся части ц . П о ско льку В селен н ая п ро долж ала расш и ряться и тем п ература п о н и ж алась, сто лкн овен и я части ц , о бладаю щ и х до стато чн о й эн ерги ей для ро ж ден и я электро н -п ози тро н н ы х п ар, сл учали сь все реж е. Г о раздо чащ е п рои схо ди ло взаи м о ун и что ж ен и е п ар (ри с. 20). В ко н ечн о м счете бо льш ая часть электро н о в и п о зи тро н о в ан н и ги ли ро вали др уг с др уго м , п рои зведя бо льш о е ко ли чество ф о тон о в и о стави в о тн о си тельн о м ало электро н ов. Н ей три н о и ан ти н ей три н о, кото ры е взаи м о дей ствую т м еж ду со бо й и с други м и части ц ам и о чен ь слабо , ун и что ж али др уг др уга н е так бы стро . О н и и сего дн я до лж н ы ещ е п ри сутство вать во кр уг н ас. Е сли бы м ы м огли н аблю дать и х, это п о служ и ло бы хо ро ш и м п о дтверж ден и ем для о п и сан н о й вы ш е карти н ы го рячей м о ло до й В селен н ой . К со ж ален и ю , эн ерги я эти х части ц в н асто ящ ее врем я сли ш ко м н и зка, что бы н аблю дать и х н еп о средствен н о (хо тя, во зм ож н о , и х удастся о бн ар уж и ть ко свен н о). 82
П ри бли зи тельн о через сто секун д п о сле Б о льш о го В зры ва В селен н ая о сты ла до о дн ого м и лли арда град усо в — тем п ературы н едр сам ы х го рячи х звезд. В эти х усло ви ях эн ерги и п ро тон о в и н ей тро н о в уж е н едо стато чн о для п рео до лен и я си льн о го ядерн ого взаи м о дей стви я. О н и н ачи н аю т сли ваться, о бразуя ядра д ей тери я (тяж ело го во до ро да), ко то ры е со держ ат о ди н п ро то н и о ди н н ей тро н . Я дра дей тери я м огут затем , п ри со еди н яя п рото н ы и н ей трон ы , п реврати ться в ядра гели я, со сто ящ и е и з п ары п ро то н ов и п ары н ей тро н о в, а такж е п о ро ди ть н еко то ро е ко ли чество ядер двух бо лее тяж елы х элем ен тов — ли ти я и бери лли я. М ож н о п о дсчи тать, что согласн о тео ри и го рячей В селен н о й о ко ло четверти п ро то н о в и н ей тро н ов С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
о бъ еди н яю тся в ядра гели я п ри со хр ан ен и и н ебо льш ого ко ли чества тяж ело го во до ро да и др уги х элем ен то в. О стальн ы е н ей тро н ы в результате расп ада п ревращ аю тся в п ро тон ы — ядра о бы чн ы х ато м ов во до ро да. Э та карти н а го рячей В селен н о й бы ла вп ервы е п редлож ен а Д ж о рдж ем Г ам о вы м в и звестн о й рабо те, н ап и сан н о й в 1948 г. в со авто рстве с его учен и ко м Р альф ом А льф еро м . Г ам ова отли чало н едю ж и н н о е чувство ю м о ра: о н до бави л к сп и ску авто ров и м я учен о го -ядерщ и ка Х ан са Б ете, что бы п о лучи ло сь: А льф ер, Б ете, Г ам ов, н ап о до би е п ервы х трех б укв греческо го алф ави та (альф а, бета, гам м а), — о чен ь ум естн о для статьи о зарож ден и и В селен н ой . В уп о м ян уто й рабо те авто ры сделали зам ечательн о е п редсказан и е, что и злучен и е (в ф о рм е ф о то н ов), возн и кш ее н а н ачальн ы х, го рячи х стади ях разви ти я В селен н о й , до лж н о со хран и ться до н аш и х д н ей , н о его тем п ератур а до лж н а бы ть всего н а н еско лько градусо в вы ш е абсо лю тн о го н уля. (А бсо лю тн ы м н улем счи тается тем п ература — 273 °С , п ри ко то ро й вещ ество н е о бладает н и како й теп лово й эн ерги ей . Т аки м о бразом , это сам ая н и зкая и з во зм о ж н ы х тем п ератур.) И м ен н о это м и кро во лн ово е и злучен и е о бн ар уж и ли П ен зи ас и В и льсон в 1965 г. К огда А льф ер и Г ам о в о п убли ко вали сво ю 83
статью , о ядерн ы х реакц и ях м еж ду п ро то н ам и и н ей трон ам и бы ло и звестн о дово льн о м ало. П о это м у п редсказан и я соо тн ош ен и й разли чн ы х элем ен тов в ран н ей В селен н о й о казали сь до во льн о п ри бли зи тельн ы м и . В п о следстви и , ко гда вы чи слен и я бы ли п о вто рен ы с уч ето м н овы х, бо лее то чн ы х, дан н ы х, оказало сь, что результаты о чен ь хо ро ш о со гласую тся с н аблю ден и ям и . О стается до бави ть, что весьм а трудн о н ай ти друго е о бъ ясн ен и е то м у, п о чем у и м ен н о четверть м ассы В селен н о й п ри хо ди тся н а до лю гели я. И все ж е о п и сан н ая карти н а п о рож дает ряд п ро блем . П ро до лж и тельн о сть ран н и х этап о в эво лю ц и и в м о дели Б о льш ого В зры ва н едо стато чн а для того , что бы теп ло усп ело расп ро стран и ться и з о дн о й о бласти го рячей В селен н о й в др угую . Э то Р и с. 20. Р ав н ов еси е ф отон ов и эл ек тр он -п ози тр он н ы х п ар . В ран н ей В селен н ой н аблю далось равн овеси е м еж д у образован и ем ф отон ов п ри столкн овен и и электрон ов и п ози трон ов и обратн ы м п роц ессом . П о м ере того как В селе н н ая осты вала, балан с бы л н аруш ен в п ользу образован и я ф отон ов. П остеп ен н о б ольш ая часть электрон ов и п ози тр он ов ан н и ги ли р овали др уг с др угом , и электрон ов осталось отн оси тельн о м ало.
84
о зн ачает, что в н ачальн о м со сто ян и и В селен н ая до лж н а бы ла во всех м естах и м еть стро го о ди н ако вую тем п ератур у, — и н аче н и как н е о бъ ясн и ть о ди н аковую тем п ератур у м и крово лн о вого ф о н а во всех н ап равлен и ях. К ром е то го, н ачальн ая ско ро сть взры ва до лж н а бы ла о казаться о чен ь то чн о п о до бран н о й , что бы расш и рен и е ш ло н а сам ой гран и кри ти ческо го реж и м а, ещ е п о зво ляю щ его и збеж ать схло п ы ван и я. О чен ь трудн о С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
о бъ ясн и ть, п о чем у В селен н ая заро ди лась и м ен н о в тако м со сто ян и и , если н е п редп о лагать вм еш ательства Б ога, ко то ры й н ам еревался со здать сущ еств вро де н ас. П ы таясь н ай ти м о дель В селен н ой , в ко торо й м н ож ество разли чн ы х н ачальн ы х со сто ян и й м огло разви ться во что -то п о до бн ое сущ ествую щ ем у м и ро здан и ю , учен ы й и з М ассач усетско го техн о ло ги ческо го и н сти тута А лан Г ут п редп о ло ж и л, что ран н яя В селен н ая м огла п ро й ти через п ери о д о чен ь бы стро го расш и р ен и я. Э то расш и рен и е н азы ваю т «и н ф ляц и ей », п о дразум евая, что В селен н ая в то т п ери о д расш и рялась с н арастаю щ ей ско ро стью . С огласн о Г уту рад и ус В селен н о й за н и что ж н о м алую до лю секун ды увели чи лся в м и лли о н м и лли о н о в м и лли он о в м и лли он о в м и лли о н о в (еди н и ц а с три дц атью н улям и ) раз. Л ю бы е н ео дн о ро дн о сти во В селен н ой п ро сто разглади ли сь вследстви е этого расш и рен и я, как м о рщ и н ы н а разд уваю щ ем ся во здуш н о м ш аре. Т аки м о бразо м , и н ф ляц и о н н ая тео ри я о бъ ясн яет, как н ы н еш н ее, гладко е и о дн о ро дн о е, со сто ян и е В селен н о й м огл о разви ться и з сам ы х разн ы х н ео дн о ро дн ы х и зн ачальн ы х со сто ян и й . Т ак что м ы теп ерь до и звестн о й степ ен и уверен ы в то м , что и м еем п рави льн ую карти н у со бы ти й вп ло ть до о дн о й м и лли ардн о й три лли о н н ой три лли о н н о й до ли (10 -33) секун ды о т Б о льш о го В зры ва. В ся эта п ервон ачальн ая сум ато ха Б о льш ого В зры ва заверш и лась сп устя всего н еско лько часо в ф о рм и ро ван и ем ядер гели я и н еко то ры х др уги х элем ен то в, таки х как ли ти й . Затем о ко ло м и лли о н а лет В селен н ая п ро сто п ро до лж ала расш и ряться и н и 85
чего сущ ествен н ого н е п ро и схо ди ло . Н акон ец тем п ература п о н и зи лась до н еско льки х ты сяч град усо в. К и н ети ческая эн ерги я электро н ов и ядер стала н едо стато чн о й для то го, что бы п рео до левать си лу электро м агн и тн ого п ри тяж ен и я, и о н и н ачали о бъ еди н яться в ато м ы . В селен н ая в ц ело м п ро долж ала бы расш и ряться и о сты вать, н о в о бластях, где п ло тн о сть бы ла чуть вы ш е средн ей , расш и рен и е до п о лн и тельн о то рм о зи ло сь грави тац и он н ы м п ри тяж ен и ем и збы то чн ого вещ ества. П о д дей стви ем это го п ри тяж ен и я расш и рен и е в эти х о бластях В селен н о й о стан о ви ло сь, уступ и в м е сто сж ати ю (ко ллап су). П о хо д у ко ллап са тяго тен и е о круж аю щ его вещ ества м о гло п ри дать эти м о бластям едва зам етн о е вращ ен и е. П ри стяги ван и и ко ллап си р ую щ ей о бласти ее вращ ен и е уско ряется, п о до бн о том у как ф и гури ст н ачи н ает бы стрее кр уж и ться н а льду, ко гда п ри ж и м ает к себе р уки . Н ако н ец , ко гда разм еры тако й о бласти стан ови ли сь до стато чн о м алы м и , ее вращ ен и е уско ряло сь н асто лько, что м огло сбалан си ровать грави тац и ю . Т ак о бразо вали сь вращ аю щ и еся сп и ральн ы е галакти ки . Д руги е о бласти В селен н о й , и збеж авш и е вращ ен и я, стали о вальн ы м и о бъ ектам и , ко то ры е н азы ваю т элли п ти чески м и галакти кам и . В таки х о бластях ко ллап с п ри о стан авли вается усто й чи вы м о бращ ен и ем отдельн ы х частей галакти ки во круг ее ц ен тра, в то врем я как вся звездн ая си стем а в ц елом н е вращ ается. С о врем ен ем во до ро дн о -гели евы й газ в галакти ках до лж ен бы л расп адаться н а н ебо льш и е о блака, ко то ры е коллап си ро вали п о д дей стви ем со бствен н ого тяго тен и я. П ри сж ати и атом ы в н и х сталки вали сь и тем п ература газа ро сла, п о ка н е до сти гала вели чи н ы , н ео бхо ди м о й для н ачала реак ц и й ядерн о го си н теза. Э ти реакц и и п рео бразую т во до ро д в гели й и п о хож и н а уп равляем ы й взры в во до ро дн о й бо м бы . В ы деляем о е п ри это м теп ло заставляет звезды свети ться. Э то теп ло такж е увели чи вает давлен и е газа, п о ка это п о следн ее н е п ри хо ди т в равн о веси е с си лам и 86
тяго тен и я. В результате газ п ерестает сж и м аться. П ри м ерн о так газо вы е о блака стан о вятся звездам и , п о до бн ы м и н аш ем у С о лн ц у, ко то ры е сж и гаю т во до ро д, п ревращ ая его в гели й , и и злучаю т вы сво бо ди вш ую ся эн ерги ю в ф о рм е теп ла и света. О н и о бн аруж и ваю т о тдален н о е схо дство с во здуш н ы м ш аро м , в кото ро м вн утрен н ее давлен и е возд уха н а стен ки , заставляю щ ее ш ар расш и ряться, уравн о веш и вается уп р уго стью рези н о во й о бо ло чки , стрем ящ ей ся ум ен ьш и ть разм ер ш ара. С ф о рм и ро вавш и сь и з о блако в го рячего газа, звезды в течен и е до лгого врем ен и С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
со хран яю т усто й чи во сть благо даря балан су м еж д у вы делен и ем теп ла в ядерн ы х реакц и ях и грави тац и о н н ы м п ри тяж ен и ем . О дн ако ран о и ли п о здн о звезда о бречен а и счерп ать свой зап ас во до ро да и друго го ядерн о го то п ли ва. П арадо ксальн о , н о чем бо льш е зап асы то п ли ва в звезде, тем бы стрее о н и закан чи ваю тся. Д ело в то м , что чем м асси вн ее звезда, тем го рячее о н а до лж н а бы ть, что бы сбалан си ро вать сво е тяго тен и е. А чем го рячее звезда, тем бы стрее п ро текает реакц и я ядерн ого си н теза и бы стрее расхо дуется то п л и во . Н аш ем у С о лн ц у, веро ятн о , хвати т топ ли ва ещ е н а п ять м и лли ардо в лет и ли о ко ло то го, н о бо лее м асси вн ы е звезды сп о со бн ы и зрасхо до вать свои ресурсы всего за сто м и лли он о в лет, что зн ачи тельн о м ен ьш е во зраста В селен н о й . К о гда звезда и счерп ы вает то п ли во , о н а н ачи н ает о сты вать и грави тац и я берет верх, вы зы вая сж ати е. С ж ати е сбли ж ает ато м ы , заставляя звезд у сн о ва разо греться. П ри до стато чн о м н агреве звезда м о ж ет н ачать п рео бразо вы вать гели й в бо лее тяж елы е элем ен ты , таки е как углеро д и ки сло ро д. Э то, о дн ако, вы сво бож дает н е сли ш ко м м н о го эн ерги и , так что кри зи с н еи збеж ен . Ч то случается дальш е, н е вп о лн е ясн о , н о весьм а веро ятн о , что ц ен тральн ы е о бласти звезды ко ллап си рую т, п ерехо дя в о чен ь п ло тн о е со сто ян и е, стан овясь, н ап ри м ер, черн о й ды ро й . Т ерм и н «черн ая ды ра» п о яви лся сравн и тельн о н едавн о. В п ервы е его уп о треби л в 1969 г. ам ери кан ски й учен ы й Д ж он 87
У и лер в качестве н аглядн о го о п и сан и я и деи , вы сказан н ой н е м ен ьш е двухсо т лет н азад. Е сли звезда до стато чн о м асси вн а, м о ж ет о казаться, что даж е свет н е сум еет п ре о до леть ее тяго тен и е и тогда звезда будет вы глядеть черн ой для всех вн еш н и х н аблю дателей . К о гда эта и дея вп ервы е бы ла вы сказан а, сущ ествовало две тео ри и о п ри ро де света. О дн а, ко то рой о тдавал п редп о чтен и е Н ью тон , п рово зглаш ала, что свет со сто и т и з части ц , и ли ко рп ускул. Д р угая деклари ро вала, что свет п редставляет со бо й во лн ы . Т еп ерь м ы зн аем , что верн ы о бе тео ри и . К ак буд ет п о казан о в гл. 9, вследстви е ко рп ускулярн о -во лн о вого д уали зм а в кван то вой м ехан и ке свет в н еко то ры х сл уч аях ведет себя как во лн а, а в д руги х о п ределен н о п ро являет сво й ства части ц ы . П о н яти я «во лн а» и «части ц а» — всего ли ш ь п ри д ум ан н ы е лю дьм и ко н ц еп ц и и , и п ри ро да во все н е о бязан а следо вать и м , п о дго н яя все явлен и я п о д ту и ли и н ую абстрактн ую катего ри ю ! В о лн о вая тео ри и н е п ро ясн яет, как до лж ен вести себя свет п о д дей стви ем грави тац и и . Н о если счи тать свет со сто ящ и м и з части ц , то м ож н о о ж и дать, что о н и б уд ут реаги ро вать н а грави тац и ю так ж е, как п уш ечн ы е ядра, ко см и чески е ко рабли и п лан еты . Н ап ри м ер, п о сле вы стрела в во здух п уш ечн о е ядро ран о и ли п о здн о уп адет н а Зем лю , п ри усло ви и что ско ро сть, с ко то рой он о вы летело и з п уш ки , н е п ревы ш ает о п ределен н о й вели чи н ы , н азы ваем о й ско ро стью убеган и я (ри с. 21). С ко ро сть убеган и я зави си т от си лы зем н ого п ри тяж ен и я, то есть от м ассы Зем ли , н о о н а н е зави си т от м ассы п уш ечн о го ядра — п о то й ж е сам о й п ри чи н е, п о ко то ро й уско рен и е сво бо дн о го п аден и я тел н е зави си т о т и х м ассы . И если уж ско ро сть убеган и я н е зави си т от м ассы тела, то м о ж н о до п усти ть, что п ри веден н ы е вы ш е рассуж ден и я верн ы и для части ц света, н есм отря н а то что и х м асса равн а н ул ю ! П о это м у р езо н н о п редп о лож и ть, что части ц ы света до лж н ы дви гаться с н еко то ро й м и н и м альн ой ско ро стью , что бы вы рваться и з п о ля тяготен и я звезды . 88
П ерво н ачальн о счи тало сь, что части ц ы света дви ж утся беско н ечн о бы стро и п о то м у грави тац и я н е сп о со бн а и х зам едли ть, о дн ако и з о ткры ти я Р ѐм ера, устан о ви вш его , что ско ро сть света ко н ечн а, вы текало , что грави тац и я м ож ет весьм а сущ ествен н о воздей ство вать н а свет. У до стато чн о м асси вн о й звезды ско ро сть убеган и я м ож ет о казаться бо л ьш е ско ро сти света, и все и злуч ен и е, и сп ускаем о е такой звездо й , будет к н ей возвращ аться. О сн о вы ваясь н а это м п редп о ло ж ен и и , п ро ф ессо р К ем бри дж ско го ун и верси тета Д ж он М и челл в 1783 г. о п убли ко вал в «Ф и ло со ф ски х тр удах Л о н дон ского К о ро левского о бщ ества» раб о ту, в ко то ро й указал, что звезда о п ределен н о й м ассы и п ло тн о сти до лж н а и м еть сто ль си льн о е грави тац и о н н о е п о ле, что свет н е см о ж ет ее С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
п о ки н уть. В сяки й и сп ущ ен н ы й с ее п о верхн о сти свет буд ет п ри тян ут н азад, п реж де чем уй дет до стато чн о далеко о т звезды . Т ак и е о бъ екты м ы теп ерь н азы ваем черн ы м и ды рам и , п о том у что о н и и п редставляю т со бо й черн ы е п усто ты в п ро стран стве. О дн ако н е сли ш ко м п рави льн о п о лн о стью уп о до блять свет п уш ечн ы м ядрам , п о слуш н ы м зако н у тяго тен и я Н ью то н а, п о том у что ско ро сть света и м еет п о сто ян н о е зн ачен и е. П уш ечн о е ядро , вы стрелен н о е вверх, б удет зам едляться грави тац и ей , а в ко н ечн о м счете о стан ови тся и уп адет; ф о тон ж е до лж ен дви гаться вверх с п о сто ян н о й ско ро стью . П о следовательн о й карти н ы того , как грави тац и я вли яет н а свет, н е бы ло до 1915 г., ко гда Э й н ш тей н п редлож и л о бщ ую тео ри ю о тн о си тельн о сти . Д етальн о е о п и сан и е того , что п ро и схо ди т с и злучен и ем м асси вн о й звезды со гласн о о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти , вп ервы е бы ло п редло ж ен о м о ло ды м ам ери кан ски м учен ы м Р о берто м О п п ен гей м ером в 1939 г. К арти н а, ко то рую м ы узн али благо даря О п п ен гей м еру, вы гляди т след ую щ и м о бразом . Г рави тац и о н н о е п о ле звезды и зм ен яет траекто ри ю световы х л учей в п ро стран стве-врем ен и . Э то т эф ф ект п ро является в о ткло н ен и и света далеки х звезд, н аблю 89
Р и с. 21. П уш еч н ое я др о п р и ск ор ости , м ен ьш ей и бол ь ш ей ск ор ости убеган и я . Т ело, летящ ее вверх, н е уп адет, если скор ость, котор ую ем у сооб щ и ли , больш е скор ости уб еган и я.
даем о м во врем я со лн ечн ого затм ен и я. Т раекто ри и света в п ро стран стве -врем ен и , п ро хо дящ и е рядом со звездой , слегка и скри влен ы в сто ро н у ее п о верхн о сти . К о гда звезда сж и м ается, о н а стан ови тся п ло тн ее и грави тац и о н н о е п о ле н а ее п оверхн о сти уси ли вается. (М о ж н о п редставлять себе грави тац и он н о е п о ле и схо дящ и м и з то чки в ц ен тре звезды ; ко гда звезда сж и м ается, то чки , леж ащ и е н а ее п оверхн о сти , п ри бли ж аю тся к ц ен тру, п о п адая в бо лее си льн о е п о ле.) Б о лее м ощ н о е п о ле си льн ее и зги бает траекто ри и световы х л учей . В и тоге п ри сж ати и звезды до н еко то ро го кри ти ческого ради уса грави тац и он н о е п о ле 90
н а ее п о верхн о сти стан ови тся н асто лько си льн ы м , а и зги б свето вы х л учей — н асто лько кр уты м , что свет уж е н е м о ж ет уй ти п ро чь. С о гласн о тео ри и о тн о си тельн о сти н и что н е сп о со бн о дви гаться бы стрее света. Т ак что если даж е свет н е м о ж ет вы рваться, то и н и чем у др уго м у это тож е н е п о д си лу — все б удет затян уто н азад грави тац и он н ы м п олем . В о круг ско ллап си ровавш ей звезды С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
ф о рм и руется о бласть п ро стран ства-врем ен и , ко то рую н и что н е м о ж ет п о ки н уть, что бы до сти чь о тдален н о го н аблю дателя. Э та о бласть и есть черн ая ды ра. В н еш н ю ю гран и ц у черн о й ды ры н азы ваю т го ри зо н то м со бы ти й . С его дн я благо даря телеско п ам , ко то ры е рабо таю т в рен тген овском и гам м а-ди ап азо н ах, м ы зн аем , что черн ы е ды ры го раздо бо лее заурядн о е явлен и е, чем н ам дум ало сь ран ьш е. О ди н сп утн и к о ты скал 1500 черн ы х ды р н а сравн и тельн о н ебо льш ом уч астке н еба. М ы такж е о бн ар уж и ли черн ую ды р у в ц ен тре н аш ей Г алакти ки , п ри чем ее м асса в м и лли о н раз п ревы ш ает м ассу н аш его С о лн ц а. В о зле это й сверхм асси вн о й черн ой ды ры н ай ден а звезда, ко то рая о бращ ается во круг н ее со ско ро стью , равн ой о ко ло 2% от ско ро сти света, то есть бы стрее, чем в средн ем о бращ ается электрон во круг ядра в ато м е! Ч то бы п он ять, что п ро и схо ди т п ри ко ллап се м асси вн ой звезды и ф о рм и рован и и черн о й ды ры , следует всп ом н и ть, что тео ри я о тн о си тельн о сти н е п ри зн ает абсо лю тн ого врем ен и . Д р уги м и сло вам и , каж ды й н аблю датель и м еет со бствен н ую м ер у врем ен и . Х о д врем ен и для н аблю дателя н а п оверхн о сти звезды б удет о тли чаться от хо да врем ен и для н аблю дателя н а рассто ян и и , п о том у что н а п оверхн о сти звезды грави тац и о н н о е п о ле си льн ее. П редстави м себе бесстр аш н о го астро н авта, ко то ры й о стается н а п о верхн о сти ко ллап си рую щ ей звезды во врем я катастро ф и ческо го сж ати я. В н екото ры й м о м ен т п о его часам , скаж ем в 11:00, звезда со ж м ется до кри ти ческо го ради уса, за ко то ры м 91
грави тац и он н о е п о ле уси ли вается н асто лько, ч то и з н его н ево зм ож н о вы рваться. Т еп ерь п редп о ло ж и м , что п о и н струкц и и астро н авт до лж ен каж дую секун д у п о сво и м часам п о сы лать си гн ал ко см и ческо м у ко раблю , ко то ры й н ахо ди тся н а о рби те н а н еко то ро м ф и кси ро ван н о м расстоян и и о т ц ен тра звезды . О н н ачи н ает п ере давать си гн алы в 10:59:58, то есть за две секун ды до 11:00. Ч то зареги стри рует эки п аж н а бо рту ко см и ческого судн а? Р ан ее, п ро делав м ы слен н ы й эксп ери м ен т с п ередачей световы х си гн ало в вн утр и ракеты , м ы убеди ли сь, что грави тац и я зам едляет врем я и чем о н а си л ьн ее, тем зн ачи тельн ее эф ф ект. А стро н авт н а п о верхн о сти звезды н ахо ди тся в бо лее си льн ом грави тац и он н о м п о ле, чем его коллеги н а о рби те, п о это м у о дн а секун да п о его часам п ро дли тся до льш е секун ды п о часам корабля. П о ско льку астро н авт вм есте с п оверхн о стью дви ж ется к ц ен тру звезды , дей ствую щ ее н а н его п о ле стан ови тся все си льн ее и си льн ее, так что и н тервалы м еж д у его си гн алам и , п ри н яты м и н а бо рту ко см и ческого ко рабля, п о сто ян н о удли н яю тся. Э то растяж ен и е врем ен и будет о чен ь н езн ачи тельн ы м до 10:59:59, так что для астро н автов н а о рби те и н тервал м еж д у си гн алам и , п ередан н ы м и в 10:59:58 и в 10:59:59, о чен ь н ен ам н ого п ревы си т секун д у. Н о си гн ала, отп равлен н ого в 11:00, н а ко рабле уж е н е до ж дутся. В се, что п ро и зо й дет н а п о верхн о сти звезды м еж д у 10:59:59 и 11:00 п о часам астро н авта, растян ется п о часам ко см и ческо го ко рабля н а беско н ечн ы й п ери о д врем ен и . С п ри бли ж ен и ем к 11:00 и н тервалы м еж д у п ри б ы ти ем н а о рби ту п о следо вательн ы х гребн ей и вп ади н и сп ущ ен н ы х звездо й световы х во лн стан ут все дли н н ее; то ж е случи тся и с п ром еж уткам и врем ен и м еж ду си гн алам и астро н авта. П о ско льку часто та и злучен и я о п ределяется чи слом гребн ей (и ли вп ади н ), п ри хо дящ и х за секун д у, н а ко см и ческо м ко рабле б удет реги стри ро ваться все бо лее и более н и зкая часто та и злучен и я звезды . С вет звезды стан ет все бо льш е красн еть и о дн о врем ен н о м еркн уть. В ко н ц е ко н ц ов 92
звезда н асто лько п о тускн еет, что сделается н еви ди м ой для н аблю дателей н а ко см и ческом ко рабле; все, что о стан ется, — черн ая ды ра в п ро стран стве. О дн ако дей стви е тяго тен и я звезды н а ко см и чески й ко рабль сохран и тся, и о н п ро до лж и т о бращ ен и е п о о рби те. Э то т сц ен ари й , вп ро чем , н е вп о лн е реали сти чен . С уд ален и ем о т ц ен тра звезды грави тац и я о слабевает, п о этом у н о ги н аш его бесстраш н о го астро н авта до лж н ы С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
п ри тяги ваться си льн ее, чем его го лова. Э та разн и ц а си л п ри ведет к том у, что тело астро н авта вы тян ется н а м ан ер сп агетти и ли разо рвется н а части , п реж де чем звезда до сти гн ет кри ти ческо го ради уса, н а ко то ром ф о рм и руется го ри зо н т со бы ти й ! О дн ако м ы п о лагаем , что во В селен н о й сущ ествую т о бъекты куда бо льш его м асш таба, н ап ри м ер ц ен тральн ы е о бласти галакти к, ко то ры е то ж е м о гут и сп ы ты вать грави тац и о н н ы й ко ллап с, п о рож дая сверхм асси вн ы е черн ы е ды ры , н ап о до би е той , что есть в ц ен тре н аш ей Г алакти ки . Н ахо дясь н а тако м о бъ екте, н аш астро н авт н е бы л бы разо рван н а части до ф о рм и рован и я черн ой ды ры . Н е ощ ути в н и чего о со бен н ого п ри до сти ж ен и и кри ти ческого ради уса, о н п ересек бы ро ко вую ч ерту н езам етн о д ля себя. Х о тя вн еш н и е н аблю датели заф и кси ро вали бы зам едлен и е его си гн алов, кото ры е в ко н ц е кон ц о в п ерестали бы п ри хо ди ть. И то лько через н еско лько часов (п о и зм ерен и ям астрон авта) его разо рвало бы н а части и з-за разли чи я грави тац и о н н ы х си л, воздей ствую щ и х н а его го ло ву и н о ги (ри с. 22). И н огда п ри ко ллап се о чен ь м асси вн о й звезды ее вн еш н и е сло и м огут бы ть вы бро ш ен ы в п ро стран ство ко ло ссальн ы м взры вом , н азы ваем ы м всп ы ш кой сверхн ово й . М ощ ь этого взры ва н асто лько вели ка, что сверхн о вая свети т ярче всех звезд ц ело й галакти ки вм есте взяты х. П ри м еро м м о ж ет служ и ть сверхн овая К рабо ви дн ой тум ан н о сти . К и тай ски е лето п и си о тн о сят ее к 1054 г. Х о тя взо рвавш аяся звезда н ахо ди лась н а рассто ян и и 5000 световы х лет, о н а о ставалась ви ди м ой для н ево 93
Р и с. 22. Г р ав и тац и он н ы е си л ы . П оскольку грави тац и он н ое п ри тяж ен и е ослабевает п о м ере удален и я от его и сточн и ка, Зем ля п ри тяги вает ваш у голову с м ен ьш е си л ой , чем ваш и н оги , которы е н а м етр и ли два бли ж е к ц ен тр у н аш ей п лан еты . Р азн и ц а н астолько н и чтож н а, что м ы н е ощ ущ аем ее, н о астрон авт, оказавш и й ся возле черн ой ды ры , буд ет б уквальн о разорван н а части .
о руж ен н о го глаза в течен и е н еско льки х м есяц ев и си яла сто ль ярко , что бы ла разли чи м а даж е дн ем , а н о чью п ри ее свете м о ж н о бы ло чи тать. В сп ы ш ка сверхн ово й в 500 световы х го дах о т н ас — в десять раз бли ж е К рабо ви дн ой тум ан н о сти — о казалась бы в сто раз ярче и б уквальн о п реврати ла бы н о чь в ден ь. Ч то бы п о чувство вать м о щ ь п о до бн о го взры ва, п редставьте, что всп ы ш ка со п ерн и чала бы с си ян и ем С о лн ц а, даж е п ри то м , что С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
94
звезда н ахо ди лась бы в десятки м и лли о н о в раз дальш е н его (н ап о м н и м , что С о лн ц е н ахо ди тся всего в во сьм и свето вы х м и н утах о т Зем ли ). Д о стато чн о бли зкая всп ы ш ка сверхн о во й звезды хотя и н е разруш и ла бы Зем лю , н о соп ро во ж далась бы и злучен и ем , сп о со бн ы м уби ть все ж и во е н а н аш ей п лан ете. Н едавн о бы ло вы сказан о п редп о лож ен и е, что п рои сш едш ее два м и лли он а лет н азад вы м и ран и е м о рски х о рган и зм ов бы ло вы зван о всп леско м ко см и ческого и злучен и я, п о рож ден н ого всп ы ш ко й сверхн ово й вбли зи от Зем ли . Н еко то ры е уч ен ы е счи таю т, что вы сокоо р ган и зо ван н ая ж и зн ь м о ж ет разви ться то лько в тех о бластях галакти к, где н е сли ш ко м м н о го звезд, — так н азы ваем ы х зо н ах ж и зн и , — п о ско льку в рай о н ах бо лее п ло тн о го скоп лен и я звезд всп ы ш ки сверхн о вы х — сто ль о бы чн ы е явлен и я, что о н и п ери о ди чески ун и что ж аю т лю бы е зачатки би о ло ги ческо й эво лю ц и и . К аж ды й ден ь во В селен н о й всп ы хи ваю т со тн и ты сяч сверхн овы х звезд. В о тдельн о й галакти ке сверхн овы е п о являю тся п ри м ерн о раз в сто лети е. Н о это средн и е п о казатели . К сож ален и ю (для астро н ом о в, п о край н ей м ере), п о следн яя в сп ы ш ка сверхн о во й в М лечн о м П ути п ро и зош ла в 1604 г., ещ е до и зо бретен и я телеско п а. Г лавн о й п ретен ден тко й н а ро ль следую щ ей сверхн о во й в н аш ей Г алакти ке является звезда ро К асси о п еи . К счастью , о н а н ахо ди тся н а вп о лн е безо п асн о м для н ас рассто ян и и 10 000 свето вы х лет. О н а о тн о си тся к н ем н огочи слен н ом у классу ж елты х сверхги ган то в. В о всем М лечн ом П ути и м еется ли ш ь сем ь звезд этого ти п а. М еж дун аро дн ая гр уп п а астро н о м ов н ачала и зучать ро К асси о п еи в 1993 г. За п рош едш и е го ды у звезды н аблю дали сь п ери о ди чески е ко лебан и я тем п ературы н а н еско лько со тен градусо в. Затем , лето м 2000 г., тем п ератур а ее вн езап н о уп ала п ри м ерн о с 7000 до 4000 градусо в. В это врем я и сследо ватели о бн аруж и ли в атм о сф ере звезды о ки сь ти тан а, ко то рая, как счи тается, вхо ди т в со став о бо ло чки , вы брош ен н о й с п о верхн о сти звезды м ощ н о й уд арн о й во лн о й . 95
П ри всп ы ш ке сверхн о во й ряд тяж елы х элем ен то в, о бразо вавш и хся в ко н ц е ж и зн ен н о го ц и кла звезды , вы брасы вается н азад в м еж звездн ую сред у, стан о вясь сы рьем для ф о рм и рован и я следую щ его п о ко лен и я звезд. Н аш е С о лн ц е со держ и т п ри бли зи тельн о 2% таки х тяж елы х элем ен то в. Э то звезда вто рого и ли третьего п о ко лен и я, ко то рая сф о рм и ро валась п ри бли зи тельн о п ять м и лли ардо в лет н азад и з о блака вращ аю щ его ся газа, со держ авш его вы бро сы ран н и х сверхн о вы х. Б о льш ая часть газа и з того о блака п ош ла н а ф о рм и ро ван и е С о лн ц а ли бо бы ла вы брош ен а во вн е, н о н ебо льш ая часть тяж елы х элем ен тов см огла со браться вм есте и о бразовать п о до бн ы е Зем ле п лан еты , ко то ры е теп ерь о бращ аю тся во кр уг С о лн ц а. И зо ло то в н аш и х укр аш ен и ях, и уран в н аш и х ядерн ы х реакто рах — все это о статки сверхн о вы х звезд, ко то ры е всп ы хн ули ещ е до рож ден и я С о лн ечн о й си стем ы ! К о гда Зем ля ещ е то лько ско н ден си ро валась, он а бы ла о чен ь го рячей и н е и м ела атм о сф еры . С о врем ен ем о н а о сты ла и о куталась о боло чко й газов, вы делявш и хся и з скальн ы х п о ро д. М ы н е см огли бы вы ж и ть в этой п ерви чн о й атм о сф ере. В м есто ки сло ро да в н ей п ри сутство вало м н о ж ество др уги х, ядо ви ты х для н ас, газо в, н ап ри м ер серо во до ро д (ко то ры м п ахн ут тухлы е яй ц а). О дн ако сущ ествую т н еко то ры е п ри м и ти вн ы е ф о рм ы ж и зн и , п ро ц ветаю щ и е и м ен н о в таки х усло ви ях. В еро ятн о, о н и разви ли сь в о кеан ах в результате сл учай н о го со еди н ен и я ато м ов в бо льш и е структуры , н азы ваем ы е м акро м о лекулам и , ко то ры е о бладали сп о со бн о стью со би рать други е ато м ы в о кеан е в п о до бн ы е ж е структуры . Т ак и м о бразо м , о н и во сп ро и зво ди ли сам и х себя и разм н ож али сь. В н еко то ры х сл учаях п ри во сп ро и зведен и и случали сь о ш и бки . К ак п рави ло, п о лучи вш аяся в результате н о вая м акро м о лекула н е м о гла во сп ро и зво ди ть себя и в ко н ц е ко н ц ов разруш алась. О дн ако н екото ры е сбо и п ри во ди ли к п о явлен и ю н о вы х м акро м о лекул, ещ е лучш е реп ро д уц и р ую щ и х себя. О бладая п о до бн ы м п реи м ущ ество м , о н и усп еш н о С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
96
вы тесн яли и схо дн ы е м акром о лекулы . Т ак бы ло п о лож ен о н ачало п ро ц ессу эво лю ц и и , ко то ры й п ри вел к разви ти ю все бо лее слож н ы х сам о во сп ро и зво дящ и хся о рган и зм ов. П ервы е п ри м и ти вн ы е ф о рм ы ж и зн и п о требляли разли чн ы е вещ ества, вклю чая серо во до ро д, и вы деляли ки сло ро д. Э то п о степ ен н о и зм ен и ло со став атм о сф еры , п ри бли зи в его к н ы н еш н ем у, и п о служ и ло п редп о сы лкой для во зн и кн о вен и я бо лее вы со коо рган и зован н ы х ф о рм ж и зн и : ры б, реп ти ли й , м леко п и таю щ и х и , н ако н ец , лю дей . О п и сан н ая карти н а В селен н о й о сн о ван а н а о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти . О н а со гласуется со всем и соврем ен н ы м и н аблю д ен и ям и . О дн ако м атем ати ка в дей стви тельн о сти н е м ож ет оп ери ро вать бескон ечн ы м и чи слам и , п о этом у, утверж дая, что В селен н ая н ачалась с Б о льш ого В зры ва, о бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти тем сам ы м п редсказы вает, что во В селен н о й есть то чка, где сам а эта тео ри я п ерестает рабо тать. П о до бн ая то чка — п ри м ер то го, что м атем ати ки н азы ваю т си н гулярн о стью . К о гда тео ри я п редсказы вает си н гулярн о сти ти п а беско н ечн ой тем п ературы , п ло тн о сти и кри ви зн ы , это сви детельствует о то м , что о н а до лж н а бы ть как -то и зм ен ен а. О бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти — н еп о лн ая тео ри я, п о ско льку о н а н е о бъ ясн яет, как п о яви лась В селен н ая. Д вадц аты й век и зм ен и л взгляды человека н а В селен н ую . М ы п он яли , како е скром н о е м есто зан и м ает н аш а п лан ета в н ео бъ ятн о сти В селен н ой ; о бн аруж и ли , что врем я и п ро стран ство и скри влен ы и н ео тдели м ы др уг о т др уга; о ткры ли , что В селен н ая расш и ряется и что о н а и м ела н ачало . О дн ако м ы такж е убеди ли сь, что, ри суя н овую карти н у кр уп н о м асш табн о й структуры В сел ен н о й , о бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти терп и т н еуд ач у п ри о п и сан и и н ачала врем ен . Д вадц ато е столети е такж е вы звало к ж и зн и и др угую вели кую частн ую ф и зи ческую тео ри ю — кван товую м ехан и ку. О н а и м еет дело с явлен и ям и , ко то ры е п ро и схо дят в о чен ь м ален ьки х м ас97
ш табах. К о н ц еп ц и я Б о льш о го В зры ва гово ри т, что, п о -ви ди м ом у, заро ж даю щ аяся В селен н ая бы ла н асто лько м ала, что, даж е и зучая ее «кр уп н о м асш табн ую стр уктур у» , н ельзя п рен ебрегать эф ф ектам и кван то во й м ехан и ки , важ н ы м и в м и кро ско п и чески х м асш табах. И сего дн я сам ы е больш и е н адеж ды в части о ко н чательн ого п о сти ж ен и я В селен н о й м ы во злагаем н а о бъ еди н ен и е эти х двух частн ы х тео ри й в еди н ую кван то вую тео ри ю грави тац и и . Д алее б удет п о казан о, что о бъ еди н ен и е о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти с п ри н яты м в кван то во й м ехан и ке п ри н ц и п о м н еоп ределен н о сти делает возм о ж н ы м сущ ество ван и е ко н ечн ого п ро стран ства и врем ен и , н е и м ею щ его н и каки х п редело в и ли гран и ц . И во зм о ж н о такж е, что о бы чн ы е ф и зи чески е зако н ы дей ствую т п овсем естн о , в то м чи сле и в н ачале врем ен , н е п ри во дя н и к каки м си н гулярн о стям .
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• Гл ава девя тая • К В А Н Т О В А Я Г РА В И Т А Ц И Я У сп ех н аучн ы х тео ри й , о со бен н о тео ри и тяго тен и я Н ью тон а, п ри вел ф ран ц узско го учен о го П ьера С и м он а Л ап ласа в н ачале девятн адц атого сто лети я к убеж ден и ю , что В селен н ая п о лн о стью детерм и н и ро ван а. И н аче го во ря, Л ап лас п о лагал, что до лж ен сущ ество вать ряд зако н ов п ри ро ды , ко то ры е п о зво ляю т — п о край н ей м ере, в п ри н ц и п е — п редсказать все, что случи тся во В селен н ой . Д ля этого треб уется «всего ли ш ь» п о дстави ть в таки е закон ы п о лн ую и н ф о рм ац и ю о со сто ян и и В селен н ой в н еко то ры й п рои зво льн о вы бран н ы й м ом ен т врем ен и . Э то н азы вается задан и ем «н ачальн ого со сто ян и я» и ли «гран и чн ы х усло ви й ». (В случае гран и чн ы х усло ви й речь и дет о гран и ц е в п ро стран стве и ли врем ен и ; гран и чн о е со сто ян и е в п ро стран стве есть со сто ян и е В селен н ой у вн еш н и х ее гран и ц — если таковы е и м ею тся.) Л ап лас счи тал, что, расп о лагая п олн ы м н або ро м зако н ов и зн ая н ачальн ы е и ли гран и чн ы е усло ви я , м ы см о ж ем в то чн о сти о п редели ть со сто ян и е В селен н о й в лю бо й задан н ы й м о м ен т врем ен и . Н ео бхо ди м о сть зн ать н ачальн ы е усло ви я, п о -ви ди м о м у, и н туи ти вн о о чеви дн а: разли чн ы е текущ и е со сто ян и я, без сом н е99
н и я, п ри ведут к разли чн ы м со сто ян и ям в буд ущ ем . Н ео бх о ди м о сть зн ан и я гран и чн ы х усло ви й в п ро стран стве чуть тр удн ее для п он и м ан и я, н о в п ри н ц и п е это то ж е сам о е. У равн ен и я, леж ащ и е в о сн ове ф и зи чески х тео ри й , м огут давать весьм а разн оо бразн ы е реш ен и я, вы бо р м еж ду ко то ры м и о сн о вы вается н а н ачальн ы х и ли гран и чн ы х усло ви ях. Здесь п ро слеж и вается о тдален н ая ан ало ги я с со сто ян и ем бан ковского счета, н а ко то ры й п о ступ аю т и с ко то ро го сп и сы ваю тся бо льш и е сум м ы . Зако н чи те вы бан крото м и ли бо гачо м , зави си т н е то лько о т п еречи сляем ы х сум м , н о и о т н ачальн ого со сто ян и я сче та. Е сли Л ап лас п рав, то гда ф и зи чески е зако н ы п озво лят н ам п о и звестн о м у сего дн яш н ем у со сто ян и ю В селен н о й о п редели ть ее со сто ян и я в п рош ло м и б уд ущ ем . Н ап ри м ер, зн ая п о лож ен и я и ско ро сти С о лн ц а и п лан ет, м ы м о ж ем п ри п о м ощ и зако н о в Н ью то н а вы чи сли ть со сто ян и е С о лн ечн о й си стем ы в лю бо й м о м ен т п рош ло го и ли б уд ущ его .1 В сл учае п лан ет детерм и н и зм каж ется соверш ен н о о чеви дн ы м — в ко н ц е ко н ц ов, астро н о м ы с о чен ь вы со ко й то чн о стью п редсказы ваю т таки е со бы ти я, как затм ен и я. Н о Л ап лас п ош ел дальш е, п редп о ло ж и в, что п о добн ы е зако н ы уп равляю т и всем о стальн ы м , вклю чая чело веческо е п о веден и е. Н о дей стви тельн о ли учен ы е сп о со бн ы п редвы чи сли ть все н аш и б уд ущ и е дей стви я? Ч и сло м олекул в стакан е во ды п ревы ш ает десять в двадц ать четверто й степ ен и (еди н и ц а с двадц атью четы рьм я н уля). Н а п ракти ке м ы н е и м еем н и м алей ш ей н адеж ды узн ать со сто ян и е каж дой и з н и х; ещ е м ен ьш е у н ас ш ан сов узн ать то чн о е со сто ян и е В селен н ой и ли даж е сво его со бствен н ого тела. Т ак что , гово ря о детерм и н и ро ван н о сти В селен н о й , 1
Н а сам ом деле даж е дви ж ен и е п лан ет м ож н о сколько -н и б удь точ н о рассч и тать н е дальш е чем н а 100 м лн лет от н астоящ его врем ен и . Х отя п олож ен и я и движ ен и я п лан ет и звестн ы с вы сокой точ н остью , все ж е в эти х дан н ы х есть п огр еш н ости . Ч ем дальш е м ы п росчи ты ваем дви ж ен и е п лан ет, тем больш е с тан ови тся вли ян и е эти х п огреш н остей в н ачальн ы х дан н ы х. О ш и бка увели чи вается п ри м ерн о в 10 раз за каж ды е 10 м лн лет м одельн ого врем ен и . 100
м ы п о дразум еваем , что , даж е если н аш и х и н теллектуальн ы х сп о со бн о стей н едо стато чн о для эти х вы чи слен и й , н аш е буд ущ ее тем н е м ен ее п редо п ределен о . Э та до ктри н а н аучн о го детерм и н и зм а реш и тельн о о твергалась м н оги м и и з тех, кто ч увство вал, что о н а н аруш ает сво бо ду Б ога п рави ть м и ром п о сво ей во ле. Т ем н е м ен ее детерм и н и зм о ставался в н ауке о бщ еп ри н яты м п редп о ло ж ен и ем до н ача ла двадц ато го сто лети я. О дн и м и з п ервы х указан и й н а то , что о т этого п ри н ц и п а п ри дется о тказаться, п ри ш ло от ан гли й ски х ф и зи ков Д ж о н а У и льям а Р элея и Д ж ей м са Д ж и н са, вы чи сли вш и х ко ли чество черн о тельн ого и злучен и я, ко то рое до лж н о и сп ускать всяко е н агрето е т ело , н ап ри м ер звезда (в гл. 7 уж е уп о м и н ало сь, что лю бой м атери альн ы й о бъ ект, б уд уч и С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
н агрет, и сп ускает черн о тельн о е и злучен и е). С о гласн о п редставлен и ям того врем ен и го рячее тело до лж н о бы ло и сп ускать электро м агн и тн ы е во лн ы о ди н ако во н а всех часто тах. Б удь это так, равн ы е эн ерги и п ри хо ди ли сь бы н а каж ды й ц вет ви ди м ого сп ектра и зл учен и я, н а каж д ую часто ту м и крово лн о вого и злучен и я, ради ово лн , рен тген о вски х лучей и т. д. Н ап о м н и м , что часто то й во лн ы н азы ваю т чи сло ее ко лебан и й в секун д у, то есть чи сло «во лн в с екун д у». М атем ати чески утверж ден и е, что го рячее тело о ди н ако во и сп ускает во лн ы н а всех часто тах, озн ачает, что о н о и злуч ает о дн о и то ж е ко ли чество эн ерги и во всех ди ап азо н ах часто т: о т н уля до о дн о го м и лли о н а во лн в секун д у, о т о дн о го до двух м и лли о н ов, о т двух до трех м и лли о н о в и так далее до беско н ечн ости . И н аче го во ря, н екая еди н и ц а эн ерги и и злучается с во лн ам и , чья часто та леж и т в ди ап азон е о т н уля до м и лли о н а в секун д у и во всех п о след ую щ и х и н тервалах. Т огда п о лн ая эн ерги я, и злучаем ая н а всех часто тах , со стави т о ди н п лю с о ди н п лю с о ди н ... и так до беско н ечн о сти . И п о ско льку н ет о гран и чен и й н а во зм о ж н о е чи сло во лн в секун д у, это сум м и рован и е эн ерги й н и когда н е зако н чи тся. П о лучается, что п о лн ая и злучаем ая эн ерги я до лж н а бы ть беско н ечн о й . 101
Ч то бы уй ти от это го явн о абсурдн о го вы во да, н ем ец ки й учен ы й М акс П лан к в 1900 г. п редп о ло ж и л, что ви ди м ы й свет, рен тген о вски е лучи и др уги е электро м агн и тн ы е во лн ы м огут и сп ускаться то лько н еко то ры м и ди скретн ы м и п о рц и ям и , ко то ры е он н азвал «кван там и ». С его дн я м ы н азы в аем кван т света ф о то н ом . Ч ем вы ш е часто та света, тем бо льш е эн ерги я его ф о то н ов. П о это м у, хо тя ф о то н ы лю бо го дан н о го ц вета и ли часто ты п о лн о стью и ден ти чн ы , ф о то н ы разли чн ы х частот согласн о П лан ку н есут разн о е ко ли чество эн ерги и . Э то озн ачает, что в кван то в ой тео ри и «сам ы й слабы й » свет лю бо го дан н о го ц вета — свет, п редставлен н ы й о дн и м -еди н ствен н ы м ф ото н о м , — н есет эн ерги ю , вели чи н а кото ро й зави си т о т ц вета (ри с. 23). Н ап ри м ер, часто ты ф и о лето вого света вдво е вы ш е часто т красн ого , и , следо вательн о, о ди н кван т ф и о летово го света н есет вдво е бо льш е эн ерги и , чем о ди н кван т красн о го. Т аки м о бразо м , сам ая м ален ькая п о рц и я ф и о лето вой светово й эн ерги и вдво е бо льш е сам ой м ален ькой п о рц и и красн о й . К ак это реш ает п ро блем у абсо лю тн о черн ого тела? М и н и м альн о е ко ли чество эл ектро м агн и тн о й эн ерги и , ко то рую абсо лю тн о черн о е тело м ож ет и сп усти ть н а лю бо й задан н о й часто те, равн о эн ерги и о дн о го ф о то н а этой часто ты . Н а бо лее вы со ки х часто тах эн ерги я ф о то н о в вы ш е. Т о есть н а вы со ки х часто тах сам о е м ален ько е ко ли чество эн ерги и , ко то ро е м о ж ет и сп усти ть абсо лю тн о черн о е тело, о казы вается больш е. Д ля до стато чн о вы со кой часто ты эн ерги я о дн ого кван та п ревы ш ает всю эн ерги ю тела. Н а тако й часто те свет н е и сп ускается, что кладет п редел сум м е, ко то рая п реж де счи талась беско н ечн о й . Т аки м о бразо м , п о тео ри и П лан ка и н тен си вн ость и злучен и я н а вы со ки х часто тах до лж н а сн и ж аться. В результате уро вен ь эн ергети чески х п о терь тела стан ови тся ко н ечн о й вели чи н о й , что и реш ает п ро блем у абсо лю тн о черн о го тела. К ван товая ги п отеза о чен ь хо ро ш о о бъ ясн и ла н аблю даем ую и н тен си вн о сть и злуч ен и я горячи х тел, н о ее п о следстви я 102
для детерм и н и зм а н е о со зн авали сь до 1926 г., ко гда др уго й н ем ец ки й учен ы й , В ерн ер Г ей зен берг, сф о рм ули ро вал зн ам ен и ты й п ри н ц и п н ео п ределен н о сти . П ри н ц и п н ео п ределен н о сти го во ри т н ам , что воп реки убеж ден и ям Л ап ласа п ри ро да о гран и чи вает н аш у сп о со бн о сть п редсказы вать б уд ущ ее н а о сн о ве ф и зи чески х зако н о в. Д ело в том , что для п редсказан и я б уд ущ его п о лож ен и я и ско ро сти части ц ы м ы до лж н ы и м еть во зм ож н о сть и зм ери ть ее н ачальн о е состо ян и е, то есть ее т екущ и е п о лож ен и е и ско ро сть, п ри чем и зм ери ть то чн о . Д ля этого , п о всей ви ди м о сти , след ует п о двергн уть части ц у воздей стви ю света. Н еко то ры е и з световы х волн б уд ут рассеян ы части ц ей и укаж ут о бн ар уж и вш ем у и х н аблю дател ю п о лож ен и е части ц ы . О дн ако и сп о льзо ван и е световы х во лн дан н о й дли н ы н аклады вает огран и чен и я н а то чн о сть, с ко то рой о п ределяется п о ло ж ен и е части ц ы : то чн о сть эта ли м и ти руется рассто ян и ем м еж д у С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
гребн ям и во лн ы . Т аки м о бразом , ж елая как м о ж н о то чн ее и зм ери ть п о ло ж ен и е части ц ы , вы до лж н ы и сп о льзовать свето вы е во лн ы коро тко й дли н ы , а зн ачи т, вы со ко й часто ты . О дн ако в соо тветстви и с кван то во й ги п о тезой П лан ка н ельзя о п ери ро вать п рои зво льн о м алы м ко ли чеством света: вам п ри дется задей ствовать п о м ен ьш ей м ере о ди н кван т, эн ерги я ко то рого с увели чен и ем часто ты стан ови тся бо льш е. И так, чем то чн ее вы стрем и тесь и зм ери ть п о ло ж ен и е части ц ы , тем вы ш е до лж н а бы ть эн ерги я кван та света, ко то ры й вы в н ее н ап равляете. С о гласн о кван тово й тео ри и даж е о ди н кван т света н аруш и т дви ж ен и е части ц ы , н еп редсказуем ы м о бразо м и зм ен и в ее ско ро сть. И чем вы ш е эн ерги я кван та света, тем бо льш е веро ятн ы е во зм ущ ен и я. С тараясь п о вы си ть то чн о сть и зм ерен и я п о ло ж ен и я, вы во сп ользуетесь кван то м бо лее вы со кой эн ерги и , и ско ро сть части ц ы п ретерп и т зн ачи тельн ы е и зм ен ен и я. Ч ем то чн ее вы п ы таетесь и зм ери ть п о лож ен и е части ц ы , тем м ен ее то чн о вы м о ж ете и зм ери ть ее ско ро сть, и н ао бо ро т. Г ей 103
зен берг п о казал, что н ео п ределен н о сть п о лож ен и я части ц ы , п ом н о ж ен н ая н а н ео п ределен н о сть ее ско ро сти и н а м ассу части ц ы , н е м ож ет бы ть м ен ьш е н еко то ро й п о сто ян н о й вели чи н ы . Зн ачи т, ум ен ьш и в, н ап ри м ер, вдво е н ео п ределен н о сть п о лож ен и я части ц ы , вы до лж н ы удво и ть н ео п ределен н о сть ее ско ро сти , и н ао бо ро т. П ри ро да н авсегда огран и чи ла н ас усло ви ям и этой сделки . Н аско лько п ло хи дан н ы е усло ви я? Э то зави си т о т уп о м ян уто й «н еко то ро й п о сто ян н о й вели чи н ы ». Е е н азы ваю т п о сто ян н о й П лан ка, и о н а н и чтож н а м ала. В ви ду м ало сти п о сто ян н о й П лан ка п о следстви я о п и сан н о й сделки и кван то во й тео ри и Р и с. 23. «С ам ы й сл абы й » св ет. Ч ем м ен ьш е ф отон ов, тем «слабее» свет. «С ам ы й слабы й » свет лю бого ц вета — п редставлен н ы й од н и м ф отон ом .
это свет,
104
в ц елом , п о до бн о эф ф ектам тео ри и отн о си тельн о сти , н езам етн ы в п о вседн евн о й ж и зн и . (Х о тя кван то вая тео ри я и вли яет н а н аш у ж и зн ь, б уд учи о сн ово й , в частн о сти , со врем ен н о й электро н и ки .) Н ап ри м ер, о п редели в ско ро сть тен н и сн о го ш ари ка м ассо й о ди н грам м с то чн о стью до о дн ого сан ти м етра в секун д у, м ы м о ж ем устан о ви ть его п о лож ен и е с то чн о стью , н ам н о го п рево схо дящ ей лю бы е п ракти чески е п отребн о сти . Н о если и зм ери ть п о ло ж ен и е электро н а с то чн о стью п ри м ер н о до разм еро в ато м а, то н евозм ож н о оп редели ть его ско ро сть с п о греш н о стью м ен ьш е, чем п лю с -м и н ус 1000 С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
ки ло м етров в секун д у, что н и как н е н азо веш ь то чн ы м и зм ерен и ем . П редел, устан о влен н ы й п ри н ц и п о м н ео п ределен н о сти , н е зави си т н и от сп о со ба, ко то ры м и зм еряю тся п о лож ен и е и ли скоро сть, н и от ти п а части ц ы . П ри н ц и п н ео п ределен н о сти Г ей зен берга о траж ает ф ун д ам ен тальн о е, н е до п ускаю щ ее и склю чен и й сво й ство п ри ро ды , п ри во дящ ее к глубо ки м и зм ен ен и ям в н аш и х взглядах н а устро й ство м и ра. Д аж е п о п ро ш естви и сем и десяти с ли ш н и м лет м н оги е ф и ло со ф ы н е до ко н ц а п о н и м аю т эти и зм ен ен и я, кото ры е все ещ е о стаю тся п редм ето м зн ачи тельн ы х разн огласи й . П ри н ц и п н ео п ределен н о сти озн ам ен овал ко н ец лап ласо вско й м ечты о н аучн о й тео ри и , м о дели В селен н о й , ко то рая б уд ет п о лн о стью детерм и н и сти ческой : н евозм ож н о то чн о п редсказать буд ущ и е со бы ти я, если н евозм о ж н о то чн о о п редели ть даж е со врем ен н о е со сто ян и е В селен н ой ! М ы п о ка ещ е м ож ем до п усти ть, что сущ ествует н еки й н або р зако н ов, п о лн о стью п редо п ределяю щ и й со бы ти я для н еко то рого сверхъ естест вен н о го сущ ества, ко то ро е, в о тли чи е от н ас, сп о со бн о н аблю дать сущ ествую щ ее со сто ян и е В селен н о й , н е н аруш ая его . О дн ако таки е м о дели В селен н о й н е п редставляю т бо льш о го и н тереса для н ас, о бы чн ы х см ертн ы х. П редставляется разум н ы м и сп ользовать так н азы ваем ы й п ри н ц и п бри твы О ккам а и о тсечь все элем ен ты тео ри и , ко то ры е н е и м ею т н аблю даем ы х п ро явлен и й . Э то т п о дхо д в 1920 -х гг. п ри вел Г ей зен берга, 105
Э рви н а Ш рѐди н гера и П о ля Д и рака к зам ен е н ью то н овско й м ехан и ки н ово й тео ри ей — кван тово й м ехан и ко й , о сн о ван н о й н а п ри н ц и п е н ео п ределен н о сти . В этой тео ри и части ц ы н е о бладаю т п о о тдельн о сти то чн о о п ределен н ы м и п о лож ен и ям и и ско ро стям и . В м есто это го о н и о бладаю т кван то вы м и со сто ян и ям и , ко м би н ац и ям и п о ло ж ен и й и ско ро стей , ко то ры е и звестн ы ли ш ь в гран и ц ах, доп ускаем ы х п ри н ц и п ом н еоп ределен н о сти . О дн а и з рево лю ц и о н н ы х о со бен н о стей кван то вой м ехан и ки со сто и т в том , что эта тео ри я н е п редсказы вает еди н ствен н ого о п ределен н о го результата н аблю ден и я. О н а п редлагает м н о ж ество во зм ож н ы х результато в и го во ри т, н аско лько веро ятен каж ды й и з н и х. И н ы м и сло вам и , если п ро делать о ди н ако вы е и зм ерен и я с бо льш и м чи слом о дн о ти п н ы х си стем , н ахо дящ и хся в о ди н аковом и схо дн ом со сто ян и и , то в н еко то ро м чи сле сл учаев и зм ерен и я дад ут результат А , ещ е в каком -то чи сле сл учаев — результат В , и так д алее. М о ж н о п ри бли зи тельн о п редсказать, сколько раз вы п адет результат А и ли В , н о н ельзя п редсказать о п ределен н ы й результат о дн о го ко н кретн о го и зм ерен и я. В оо брази те, н ап ри м ер, что м етаете дро ти ки , и грая в дартс. С о гласн о класси чески м (стары м , н е кван товы м ) тео ри ям , дро ти к ли бо п о п адет в ябло чко , ли бо н ет. Зн ая ско ро сть дро ти ка в м о м ен т бро ска, си лу тяж ести и т. п ., вы м о ж ете вы чи сли ть, п о п адет ли он в м и ш ен ь. О дн ако кван то вая тео ри я го во ри т, что это н е так: н евозм ож н о сделать тако е п редсказан и е н аверн яка. В соо тветстви и с кван тово й тео ри и есть н еко то рая веро ятн о сть того , что дро ти к уго ди т в ябло чко , и о тли чн ая о т н уля веро ятн о сть, что о н вон зи тся в лю бо й друго й уч асто к до ски . И м ея дело с таки м и круп н ы м и о бъ ектам и , как в и гре в дартс, вы м о ж ете бы ть уверен ы в п рогн о зе, если класси ческая тео ри я — в дан н о м случае м ехан и ка Н ью то н а — п редсказы вает п о п адан и е дро ти ка в м и ш ен ь. П о край н ей м ере, ш ан сы , что это го н е случи тся (со гласн о кван то во й тео ри и ), н асто лько м алы , что , п ро до лж ая м етать дро ти ки тем ж е м ан еро м до ко н ц а ж и зн и В селен н о й , вы , веро ятн о , 106
н и когда н е п ро м азали бы . Н о в м асш табах атом ов все о бсто и т п о -др уго м у. В еро ятн о сть п о раж ен и я ц ен тра м и ш ен и дро ти ко м , со стоящ и м и з о дн ого ато м а, равн ялась бы 90% , ш ан с, что о н во н зи тся в друго й участо к до ски , со стави л бы 5% , и ещ е 5% п ри ш ло сь бы н а п о п адан и е м и м о до ски . В ы н е м о ж ете сказать заран ее, что и м ен н о п ро и зо й дет. В се, что вы м ож ете, — это утверж дать, что п ри м н о го кратн ом п о вто рен и и эксп ери м ен та в средн ем 90 раз и з 100 дро ти к уго ди т в ябло чко. К ван товая м ехан и ка вн есла н еи збеж н ы й элем ен т н еп редсказуем о сти и ли случай н о сти в н ауку. Э й н ш тей н н асто й чи во во зраж ал п ро ти в этого , н есм о тря н а важ н ую ро ль, ко то рую С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
о н сам сы грал в разви ти и о три ц аем ы х и м и дей . В дей стви тельн о сти Э й н ш тей н п о лучи л Н о белевскую п рем и ю и м ен н о за вклад в со здан и е кван то во й тео ри и . О дн ако о н н и когда н е п ри н ял то го, что В селен н о й уп равляет сл учай ; его чувства о бразн о вы раж ен ы в зн ам ен и то й ф разе: «Б ог н е и грает в ко сти ». К ачество н аучн о й тео ри и , как м ы уж е го во ри ли , о п ределяется ее сп о со бн о стью п редсказы вать результаты эксп ери м ен та. К ван то вая тео ри я огран и чи вает эту н аш у сп о со бн о сть. Н е огран и чи вает ли кван товая тео ри я во зм ож н о сти н ауки ? К о гда н аука разви вается, то п ути ее дви ж ен и я до лж н ы ди ктоваться сам о й п ри ро до й . В дан н о м случае п ри ро да треб ует, что бы м ы п ересм о трели то, что п о дразум еваем п о д п редсказан и ем : м ы н е сп о со бн ы то чн о п редсказать результат эксп ери м ен та, н о м ож ем м н о го кратн о п о вто ри ть эксп ери м ен т и п о дтверди ть, что разли чн ы е его и схо ды о тм ечаю тся с веро ятн о стям и , п редсказан н ы м и кван то вой тео ри ей . Т аки м о бразо м , п ри н ц и п н еоп ределен н о сти н е заставляет отказы ваться о т веры в то, что м и ро м уп равляю т ф и зи чески е зако н ы . Н а деле бо льш и н ство учен ы х в ко н ц е ко н ц ов п ри н яли кван то вую м ехан и ку и м ен н о п о том у, что о н а вели ко леп н о согласуется с эксп ери м ен то м . О дн о и з н аи бо лее важ н ы х следстви й п ри н ц и п а н еоп ределен н о сти Г ей зен берга заклю чается в том , что в н еко то ры х о тн о ш е107
н и ях части ц ы вед ут себя п о до бн о во лн ам . К ак вы уж е зн аете, о н и н е и м ею т о п ределен н о го п о лож ен и я, н о «разм азан ы » п о п ро стран ству в соо т ветстви и с н еко то ры м расп ределен и ем веро ятн о стей (ри с. 24). Т о чн о так ж е, хо тя свет п редставляет со бо й во лн ы , в н еко то ры х о тн ош ен и ях он ведет себя так, б удто со сто и т и з части ц : свет м ож ет и сп ускаться и ли п о глощ аться то лько о п ределен н ы м и п о рц и ям и , кван там и . Ф акти чески кван товая м ехан и ка о сн о ван а н а со верш ен н о н о вом м атем ати ческом ап п арате, ко то ры й н е о п и сы вает реальн ы й м и р н и в терм и н ах части ц , н и в терм и н ах во лн . Д ля н еко то ры х ц елей удо бн о рассм атри Р и с. 24. «Р азм азан н ое» к в ан тов ое п ол ож ен и е. С огласн о кван товой теори и н евозм ож н о н и оп ред ели ть с п рои звольн о вы сокой точ н остью п ол ож ен и е и скорость тела, н и точн о п ред сказать ход б уд ущ и х собы ти й .
108
вать части ц ы как во лн ы , для др уги х — во сп ри н и м ать во лн ы как части ц ы , н о п о до бн ы й п о дхо д н е бо лее чем усло вн о сть, п ри н ятая для н аш его удо бства. Э то то , что ф и зи ки С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
н азы ваю т ко рп ускулярн о -во лн о вы м д уали зм о м кван то во й м ехан и ки . В аж н о е следстви е во лн о вого кван то во -м ехан и ческо го п оведен и я — во зм о ж н о сть н аблю дать и н терф ерен ц и ю м еж д у двум я н аб о рам и части ц . О б и н терф ерен ц и и п ри н ято д ум ать как о явлен и и во лн о вой п ри ро ды . П ри сто лкн овен и и во лн гребн и о дн о го и х н або ра м огут со вп асть со вп ади н ам и друго го н або ра (в это м случае го во рят, что во лн ы н ахо дятся «в п роти во ф азе»). К о гда тако е случ ается, два н або ра во лн п о давляю т друг др у га, а н е о бразую т бо лее си льн ую во лн у, как м о ж н о бы ло бы о ж и дать (ри с. 25). С ам ы й зн ако м ы й всем п ри м ер и н терф ерен ц и и света — радуж н ая о краска м ы льн ы х п узы рей . О н а вы зван а о траж ен и ем света о т вн еш н ей и вн утрен н ей п оверхн о стей то н ко й во дян о й стен ки п узы ря. Б елы й свет со сто и т и з свето вы х во лн разли чн о й дли н ы , а зн ачи т, разн ого ц вета. Г ребн и во лн о п ределен н о й дли н ы , о траж ен н ы е о т о дн о й сто рон ы во дян ой стен ки , со вп адаю т со вп ади н ам и во лн , о траж ен н ы х о т друго й сто рон ы . Ц вета, соо тветствую щ и е эти м дли н ам во лн , о тсутствую т в о траж ен н о м свете, ко то ры й п о этом у каж ется о краш ен н ы м . Н о кван товая тео ри я гово ри т, что благо даря ко рп ускулярн о -во лн ово м у д уали зм у и н терф ерен ц и я м ож ет н аблю даться и у части ц . С ам ы й и звестн ы й п ри м ер — так н азы ваем ы й эксп ери м ен т с двум я щ елям и . П редставьте себе п ерего ро дку (то н кую стен ку), в ко то рой и м еется две узки е п араллельн ы е п ро рези . П реж де чем рассм атри вать, что случается п ри п ро хо ж ден и и части ц через эти п ро рези , и сслед уем , что п рои зо й дет, когда н а н и х п адает свет. П о о дн у сто ро н у о т п реграды разм ести м свето во й и сточн и к стро го о п ределен н ого ц вета (то есть с ф и кси ро ван н ой дли н о й во лн ы ). Б о льш ая часть и сп ущ ен н о го света п о п адет н а п ерего ро дку, н о н еко то ро е коли чество п ро й дет через щ ели . Т еп ерь до п усти м , что п о др угую сто ро н у заго ро дки устан о влен экран . 109
Р и с. 25. В ол н ы , н аходя щ и еся в п р оти в оф азе и сов п адаю щ и е п о ф азе. Е сли гребн и и вп ади н ы двух волн совп адаю т, он и образую т б олее си льн ую волн у, н о, если гребн и одн ой волн ы совп адаю т со вп ади н ам и другой , он и п одавляю т др уг др уга.
Р ассм о три м лю б ую то чку н а это м экран е. Е е до сти гн ут во лн ы , п рон и кш и е через о бе п ро рези . О дн ако в о бщ ем случае свет, п ро ш едш и й через о дн у щ ель, н а п ути о т и сто чн и ка к н аш ей то чке п о кро ет и н о е рассто ян и е, н еж ели свет, п рош едш и й через др угую щ ель. И з-за этого разли чи я рассто ян и й волн ы , п ри ш едш и е к то чке о т двух разн ы х щ елей , н е со вп адут п о ф азе (ри с. 26). В н еко то ры х м естах вп ади н ы о дн о й во лн ы со вп адут с гребн ям и др уго й и эти во лн ы п о гасят друг др уга; в др уги х гребн и со вп адут с гребн ям и , а вп ади н ы — со вп ади н ам и и во лн ы взаи м н о уси лятся; н о в бо льш и н стве то чек будет н аблю даться н еко е п ром еж уто чн о е со сто ян и е. Р езультат — характерн о е чередован и е светлы х и тем н ы х п о ло с. Зам ечательн ы й ф акт со сто и т в том , что та ж е сам ая карти н а о тм ечается, если и сто чн и к света зам ен и ть и сто чн и ко м , и сп ускаю щ и м части ц ы , н ап ри м ер электро н ы , о бладаю щ и е о ди н ако во й ско ро стью (а зн ачи т, соо тветствую щ и е во лн ы м атери и и м ею т о ди н аковую дли н у). П редп о лож и м , что вы бом барди р уете электро н ам и стен ку с о дн о й щ елью . Б о льш и н ство электро н о в б удет о стан овлен о стен о й , н о н еко то ры е п ро й дут скво зь щ ель 110
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
и до берутся до экран а, расп о лож ен н о го с друго й сто ро н ы . П о этом у н ап раш и вается вы во д, что о ткры ти е в п ерего ро дке вто ро й щ ели ли ш ь увели чи т чи сло электрон о в, п о п адаю щ и х в каж д ую то чку экран а. О дн ако ко гда вы о ткры ваете вто рую щ ель, то чи сло электро н о в, п оп адаю щ и х н а экран , в н еко торы х то чках увели чи вается, а в др уги х — ум ен ьш ается, как будто электро н ы и сп ы ты ваю т и н терф ерен ц и ю , п о до бн о во лн ам , а н е вед ут себя как части ц ы (ри с. 27). Т еп ерь п редстави м себе, что м ы п о сы лаем электро н ы сквозь щ ель п о о дн ом у за раз. С о хран и тся ли в это м сл учае и н терф ерен ц и я? М о ж н о бы ло бы о ж и дать, что каж ды й электро н б удет п ро хо ди ть через о дн у и з двух щ елей и в результате и н терф ерен ц и о н н ы й узо р и счезн ет. В дей стви тельн о сти , о дн ако , даж е п ри бом бард и ро вке щ елей о ди н о чн ы м и электро н ам и и н терф ерен ц и я п о -п реж н ем у н абл ю дается. Зн ачи т, каж ды й электро н до л Р и с. 26. П ути св етов ы х в ол н и и н тер ф ер ен ц и я . В эксп ери м ен те с двум я щ елям и расстоян и е, котор ое п окр оет свет, п рош едш и й через верхн ю ю и н и ж н ю ю щ ели , разл и чн о для разн ы х точек экран а. В и тоге волн ы взаи м н о уси ли ваю тся н а одн и х участках и гасят др уг др уга н а други х, ф орм и р уя и н терф ер ен ц и он н ую карти н у и з тем н ы х и светлы х п олос.
111
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Р и с. 27. Р асп р едел ен и е эл ек тр он ов. В сл едстви е и н терф ерен ц и и одн оврем ен н ая б ом барди ровка электрон ам и двух щ елей дает и н ой результат, н еж ели б ом барди ровка каж дой и з н и х в отдельн ости .
112
ж ен о дн оврем ен н о п ро хо ди ть через обе щ ели и и н терф ери ро вать сам с со бо й ! Я влен и е и н терф ерен ц и и части ц и м ело п ри н ц и п и альн о е зн ачен и е для п о н и м ан и я стро ен и я ато м о в, о сн о вн ы х элем ен тов, и з ко то ры х со сто и м м ы сам и и все во круг н ас. В н ачале двадц ато го сто лети я счи тало сь, что , п о до бн о то м у как п лан еты о бращ аю тся во круг С о лн ц а, и электро н ы (о три ц ательн о заряж ен н ы е части ц ы ) в атом ах о бращ аю тся во круг яд ра, н есущ его п о ло ж и тельн ы й заряд. П редп о лагалось, что п ри тяж ен и е м еж д у п о ло ж и тельн ы м и о три ц ательн ы м электри чески м и зарядам и удерж и вает электро н ы н а о рби тах, п о до бн о том у как п ри тяж ен и е С о лн ц а н е дает п лан етам со й ти с и х о рби т. О дн а беда: класси чески е зако н ы м ехан и ки и электри чества — до кван тово й м ехан и ки — п редсказы вали , что электро н ы , о бращ аю щ и еся п о до бн ы м о бразом , до лж н ы и сп ускать и зл учен и е. Б удь это так, он и н еи збеж н о теряли бы эн ерги ю и дви гали сь п о сп и рали к ядру до сто лкн о вен и я с н и м . С ледо вательн о, атом ы — и воо бщ е вся м атери я — до лж н ы бы ли бы стрем и тельн о ско ллап си ро вать в со сто ян и е с чрезвы чай н о вы со ко й п ло тн о стью , чего явн о н е п рои схо ди т! Д атски й учен ы й Н и льс Б о р части чн о разреш и л эту п ро блем у в 1913 г. О н С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
п редп о ло ж и л, что электрон ы , во зм о ж н о, сп о собн ы о бращ аться н е н а лю бом рассто ян и и о т ядра, н о то лько н а н екото ры х сп ец и ф и чески х рассто ян и ях. Е сли такж е до п усти ть, что то лько о ди н и ли два электрон а м о гут о бращ аться во кр уг ядра н а каж до м и з эти х ф и кси ро ван н ы х рассто ян и й , то п ро блем а ко ллап са реш ает ся, п о то м у что п о сле зап о лн ен и я огран и чен н ого чи сла вн утрен н и х о рби т дви ж ен и е электро н ов п о сп и рали к ядр у п рекращ ается. Д ан н ая м о дель убеди тельн о о бъ ясн и ла структур у сам о го п ро сто го ато м а — ато м а во до ро да, в ко то ро м во круг ядр а о бращ ается о ди н -еди н ствен н ы й электро н . Н о о ставало сь н еясн ы м , как расп ро стран и ть эту м о дель н а бо лее сло ж н ы е атом ы . К ро м е того , и дея о тн о си тельн о огран и чен н ого н або ра разреш ен н ы х о рби т вы глядела и скусствен н ы м врем ен н ы м 113
п ри ем о м . Э та уло вка рабо тала м атем ати чески , н о о н а н е о бъ ясн яла, п о чем у ф и зи чески е п роц ессы п ро текаю т так, а н е и н аче, и како й ф ун дам ен тальн ы й закон — если тако во й сущ ествует — за эти м стои т. Н овая тео ри я — кван товая м ехан и ка — п озво ли ла п рео до леть эти затрудн ен и я. О н а п о казала, что электрон , о бращ аю щ и й ся во круг яд р а, м ож н о рассм атри вать как во лн у, дли н а ко то рой зави си т о т ско ро сти ее расп ро стран ен и я. П редставьте себе во лн у, о бегаю щ ую ядро н а оп ределен н о м рассто ян и и , как п о стули ро вал Б о р. Д ли н а о круж н о сти н еко то ры х о рби т буд ет соо тветствовать ц елом у (н е дро бн ом у) чи сл у дли н во лн ы электрон а. Н а таки х о рби тах гребн и во лн п ри каж до м ви тке о каж утся в о дн и х и тех ж е п о лож ен и ях, так что во лн ы б уд ут склады ваться др уг с др уго м . Э ти о рби ты соо тветствую т разреш ен н ы м о рби там Б о ра. В то ж е врем я н а о рби тах, где н е уклады вается ц ело е чи сло дли н волн , гребн и буд ут н аклады ваться н а вп ади н ы , п ри во дя к затухан и ю во лн . Э то зап рещ ен н ы е о рби ты . Т аки м о бразом , зако н Б о ра о разреш ен н ы х и зап рещ ен н ы х о рби тах п о лучи л о бъ ясн ен и е (ри с. 28). У дачн ы м п ри м ером н аглядн о го п редставлен и я ко рп ускуляр н о -во лн о вого дуали зм а являю тся так н азы ваем ы е и н тегралы п о траекто ри ям , п редлож ен н ы е ам ери кан ски м учен ы м Р и чардо м Ф ей н м ан ом . Э то т п о дхо д, в о тли чи е о т класси ческо го , н екван тово го, н е п редп о лагает, что у части ц ы и м еется н екая еди н ствен н ая и сто ри я и ли , и н ы м и словам и , траекто ри я в п ро стран стве-врем ен и . В м есто это го счи тается, что части ц а дви ж ется и з то чки А в то чку В п о всем возм о ж н ы м траекто ри ям (ри с. 29). С каж до й траекто ри ей м еж д у А и В Ф ей н м ан связал п ар у чи сел. О дн о и з н и х п редставляет ам п ли туд у, и ли разм ах, волн ы . Д руго е — ф азу, то есть п олож ен и е в ц и кле ко лебан и я (гребен ь и ли вп ади н а). В еро ятн о сть то го, что части ц а п о п адет и з А в В , оп ределяется сло ж ен и ем во лн для всех траекто ри й , со еди н яю щ и х А и В . К ак п рави ло , если сравн и ть н або р со седн и х траекто ри й , то ф азы , то есть п о лож ен и я в ц и кле ко лебан и й , 114
Р и с. 28. В ол н ы н а атом н ы х ор би тах. Н и льс Б ор п олагал, что в атом е электрон н ы е волн ы бескон ечн о обегаю т ядро. С огласн о его м одел и только те орби ты , дли н а окр уж н ости которы х соответствует ц елом у чи сл у дли н вол н электр он а, н е и сп ы ты ваю т разруш и тельн ой и н терф ерен ц и и .
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
б уд ут о чен ь си льн о разли чаться. Зн ачи т, во лн ы , след ую щ и е дан н ы м и траекто ри ям и , п о чти в то чн о сти п огасят друг др уга. О дн ако у н еко то ры х н або ро в со седн и х траекто ри й разли чи е ф аз н е сто ль зн ачи тельн о . В олн ы , расп ро стран яю щ и еся п о таки м траекто ри ям , н е б уд ут гаси ться. П о до бн ы е траекто ри и соответствую т разреш ен н ы м о рби там Б о ра. В о п ло щ ен и е и зло ж ен н ы х и дей в ко н кретн о й м атем ати ческо й ф о рм е п о зво ли ло о тн о си тельн о легко вы чи слять разреш ен н ы е о рби ты в слож н ы х ато м ах и даж е в м о лекулах, ко то ры е со сто ят и з м н ож ества ато м ов, связан н ы х электро н ам и , чьи о рби ты о хваты ваю т сразу н еско лько ядер. И п о ско льку стро ен и е м о лекул и и х взаи м о дей стви е со ставляю т о сн о ву хи м и и и би о логи и , кван то вая м ехан и ка п о зво ляет н ам в п ри н ц и п е п редсказы вать п о чти все, что м ы ви ди м во круг, в п ределах о гран и чен и й , устан о влен н ы х п ри н ц и п ом н ео п ределен н о сти . (Н а п ракти ке, одн ако , м ы н е м ож ем реш и ть уравн ен и я н и для како го атом а, кром е сам о го п ро стого , ато м а во до ро да, в ко то ром только о ди н 115
Р и с. 29. М н ож еств о тр аек тор и й эл ек тр он а в эк сп ер и м ен те с дв ум я щ ел я м и . С огласн о кван товой теори и в ф орм ули р овке Р и чарда Ф ей н м ан а части ц а, п одоб н ая этой , летящ ей от и сточн и ка к экран у, дви ж ется п о всем возм ож н ы м траектори ям сразу.
электро н , и п о льзуем ся п ри бли ж ен и ям и и ком п ью терам и для ан али за бо лее слож н ы х ато м ов и м о лекул.) К ван товая тео ри я о казалась н еверо ятн о усп еш н о й и легла в о сн о ву п о чти всей со врем ен н о й н ауки и техн и ки . О н а уп равляет п о веден и ем тран зи сто ро в и и н тегральн ы х схем — важ н ей ш и х ко м п он ен то в электрон н ы х устро й ств, таки х как телеви зо ры и ко м п ью теры , и со ставляет ф ун дам ен т со врем ен н о й хи м и и и би о логи и . Е ди н ствен н ая о бласть ф и зи ческой н ауки , в ко то рую кван то вая м ехан и ка п о ка ещ е н е п ро н и кла, — это грави тац и я и круп н о м асш табн ая структура В селен н о й . О бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти Э й н ш тей н а не п ри н и м ает во вн и м ан и е кван то во м ехан и чески й п ри н ц и п н ео п ределен н о сти , что н ео бхо ди м о для со гласован и я с др уги м и тео ри ям и . 116
К ак уж е бы ло п о казан о в п реды дущ ей главе, о бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти треб ует ви до и зм ен ен и я. П редсказав сущ ество ван и е то чек с беско н ечн о й п ло тн о стью — си н гулярн о стей , — класси ческая (то есть н е кван товая) о бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти тем сам ы м п редрекла со бствен н о е кр уш ен и е, п о до бн о том у как класси ческая м ехан и ка п редо п редели ла свой крах, п редсказав, что абсо лю тн о черн ы е тела до лж н ы и злучать беско н ечн ую эн ерги ю , а ато м ы — ко ллап си ро вать, до сти гая беско н ечн о й п ло тн о сти . И , как и в случае с класси ч еско й м ехан и ко й , м ы н адеем ся устран и ть эти н еп ри ем лем ы е си н гулярн о сти , п реврати в класси ческую о б щ ую тео ри ю о тн о си тельн о сти в кван то вую тео ри ю , то есть со здав кван то вую тео ри ю грави тац и и . С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Е сли о бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти н еверн а, п о чем у ж е все эксп ери м ен ты до н асто ящ его врем ен и п о дтверж даю т ее? П ри чи н а того , что м ы до си х п о р н е зам ети ли н и каки х расхо ж ден и й м еж д у тео ри ей и н аблю д ен и ям и , со стои т в том , что все грави тац и он н ы е п о ля, с ко то ры м и н ам о бы чн о п ри хо ди тся сталки ваться, о чен ь слабы е. Н о , как м ы уж е го во ри ли , в зарож даю щ ей ся В селен н о й , где все вещ ество и эн ерги я со средо то чен ы в н и что ж н о м ало м о бъ ем е, грави тац и он н о е п о ле до лж н о бы ть о чен ь си льн ы м . В п ри сутстви и сто ль си льн ы х п о лей эф ф екты кван то во й тео ри и до лж н ы бы ть весьм а сущ ествен н ы . Х о тя кван товая тео ри я грави тац и и ещ е н е со здан а, м ы зн аем м н о ж ество сво й ств, ко то ры м и , как н ам д ум ается, о н а до лж н а о бладать. В о -п ервы х, о н а до лж н а вклю чать в себя ф ей н м ан овскую схем у, п редставляю щ ую кван товую тео ри ю в терм и н ах и н тегралов п о траекто ри ям . В о -вто ры х, частью лю бо й о кон чательн ой тео ри и , п о н аш ем у убеж д ен и ю , до лж н а бы ть и дея Э й н ш тей н а о п редставлен и и грав и тац и о н н о го п о ля как и скри влен и я п ро стран ства-врем ен и : в и скри влен н о м п ро стран стве части ц ы стрем ятся следовать п о п ути , н аи бо лее п ри бли ж ен н о м у к п рям ой ли н и и , н о п о ско льку п ро стран ство -врем я н е является п ло ски м , и х траекто ри и вы глядят и зо гн уты м и , как если бы н а н и х 117
дей ство вало грави тац и он н о е п оле. К огда м ы п ри м ен яем ф ей н м ан о вски е и н тегралы п о траекто ри ям к взглядам Э й н ш тей н а н а грави тац и ю , ан ало гом траекто ри и части ц ы стан о ви тся п о лн о стью все и скри влен н о е п ро стран ство -врем я, п редставляю щ ее и сто ри ю всей В селен н ой . К ласси ческая тео ри я грави тац и и п ред усм атри вает то лько два во зм о ж н ы х сц ен ари я п оведен и я В селен н о й : ли бо о н а сущ ество вала всегда, н а п ро тяж ен и и беско н ечн ого врем ен и , ли бо ведет сво е н ачало о т си н гулярн о сти , ко то рая и м ела м есто в п рош ло м , н еко то ро е ко н ечн о е врем я н азад. П о п ри чи н ам , о бсуж давш и м ся вы ш е, м ы п о лагаем , что В селен н ая н е сущ ество вала всегда. Н о если он а и м ела н ачало , то согласн о класси ческо й о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти , что бы узн ать, како е и м ен н о реш ен и е уравн ен и й Э й н ш тей н а о п и сы вает н аш у В селен н ую , н ам н уж н о зн ать ее н ачальн о е со сто ян и е, то есть то чн о е со сто ян и е, с ко то рого н ачало сь ее разви ти е. Б ы ть м о ж ет, Б ог и устан о ви л и зн ачальн о зако н ы п ри ро ды , н о , каж ется, с тех п о р О н п редо стави л В селен н ой разви ться в со гласи и с н и м и без Е го вм еш ательства. К ак О н вы би рал н ачальн о е со сто ян и е и ли ко н ф и гурац и ю В селен н о й ? К ако вы бы ли «гран и чн ы е усло ви я» в н ачале врем ен ? Э то т воп ро с вы зы вает затрудн ен и я в класси ческо й о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти , п ото м у что о н а н еп ри м ен и м а к м о м ен ту заро ж ден и я В селен н ой . С др уго й сто ро н ы , кван то вая тео ри я грави тац и и о ткры вает н овы е во зм ож н о сти для разреш ен и я указан н о й п ро блем ы . В кван то вой тео ри и п ро стран ство -врем я м о ж ет бы ть ко н ечн ы м п о п ро тяж ен н о сти и в то ж е врем я н е и м еть си н гулярн о стей , ф о рм и рую щ и х гран и ц у и ли край . Т ако е п ро стран ство -врем я п о хо ди ло бы н а п оверхн о сть Зем ли , то лько с двум я до п о лн и тельн ы м и и зм ерен и ям и . К ак уж е о тм ечало сь, п утеш ествуя в н еко то ром н ап равлен и и п о п оверхн о сти Зем ли , н и ко гда н е встречаеш ь н еп рео до ли м ого барьера и ли края и в ко н ечн ом счете во звращ аеш ься туда, где н ачал п уть, н е ри скуя сверзи ться с края света и ли 118
п роп асть в си н гулярн о сти . Т ак что, если бы н ам п о счастли ви ло сь со здать кван товую тео ри ю грави тац и и , о н а п о зволи ла бы н ам и збави ться о т си н гулярн о стей , где п ерестаю т рабо тать зако н ы п ри ро ды . К о ль ско ро п ро стран ство -врем я н е и м еет н и каки х гран и ц , то н и к чем у вы ясн ять, как о н о ведет себя н а гран и ц е, — н ет н уж ды зн ать н ачальн о е со сто ян и е В селен н ой . Н е сущ ествует края п ро стран ства-врем ен и , вы н уж даю щ его н ас о бращ аться к и дее Б о га и ли и скать н еко то ры й н овы й зако н , чтобы устан о ви ть гран и чн о е со сто ян и е п ро стран ства-врем ен и . Э то м ож н о вы рази ть так: граничное сост ояние В селенной сост оит в т ом , чт о она не им еет никаких границ. Т акая В селен н ая будет п о лн о стью С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
о бо со блен н ой , н е взаи м о дей ствую щ ей н и с чем вн е себя. Е е н ельзя н и со здать, н и разр уш и ть. О н а п ро сто ест ь. П о ка м ы п о лагали , что В селен н ая и м еет н ачало, ро ль С о здателя казалась ясн о й . Н о если В селен н ая дей стви тельн о п о лн о стью авто н о м н а, н е и м еет н и гран и ц , н и краев, н и н ачала, н и кон ц а, то о твет н а воп ро с о ро ли С оздателя п ерестает бы ть о чеви дн ы м .
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• Гл ава деся тая • К Р О Т О В Ы Е Н О Р Ы И П У Т Е Ш Е С Т В И Я В О В РЕ М Е Н И В п реды д ущ и х главах м ы п о казали , как м ен яли сь н аш и взгляды н а п ри ро ду врем ен и с течен и ем лет. Д о н ачала двадц атого сто лети я лю ди вери ли в аб со лю тн о е врем я. И н аче гово ря, каж дом у со бы ти ю м о ж н о бы ло одн о зн ачн о п ри п и сать чи сло, н азы ваем о е «врем ен ем », и все и сп равн ы е часы до лж н ы бы ли п о казы вать о ди н ако вы й и н тервал врем ен и м еж ду двум я со бы ти ям и . О дн ако откры ти е п о сто ян ства ско ро сти света для лю бо го н аблю дателя н езави си м о о т его дви ж ен и я, п ри вело к со здан и ю тео ри и о тн о си тельн о сти и о тказу о т и деи еди н ствен н ого абсо лю тн ого врем ен и . М о м ен ты врем ен и для со бы ти й стало н ево зм ож н о о п редели ть о дн озн ачн ы м о бразо м . О казало сь, что каж ды й н аблю датель и м еет сво ю со бствен н ую м еру врем ен и , ф и кси руем ую его часам и , и вовсе н ео бязательн о , что п о казан и я часов разн ы х н аблю дателей со й д утся. Т аки м о бразо м , врем я стало бо лее субъ екти вн ы м п о н яти ем , отн о сящ и м ся к н аблю дателю , ко то ры й его и зм еряет. Т ем н е м ен ее врем я тракто вали так, б удто это п рям ая ж елезн о до рож н ая ли н и я, п о ко то ро й м ож н о дви гаться то лько вп еред и ли н азад. А что , если ж елезн о до ро ж н ая ли н и я 120
ветви тся и ли и м еет о круж н ы е п ути и п о езд, дви гаясь вп еред, возвращ ается н а стан ц и ю , ко то рую уж е п ро езж ал? Д р уги м и слов ам и , м о ж н о ли п утеш ество вать в б уд ущ ее и ли в п рош ло е? Т акую во зм о ж н о сть и сследо вал Г ерберт У эллс в «М аш и н е врем ен и », а вслед за н и м и бессчетн о е м н о ж ество др уги х ф ан тасто в. О дн ако м н о ги е и з и дей н аучн о й ф ан тасти ки , таки е как п о дво дн ы е ло дки и п утеш естви я н а Л ун у, стали н аучн ы м и ф актам и . Т ак како вы п ерсп екти вы п утеш естви й во врем ен и ? П утеш естви я в буд ущ ее во зм ож н ы . Т ео ри я отн о си тельн о сти п о казы вает, что м о ж н о со здать м аш и н у врем ен и , кото рая п ерен есет вас в б уд ущ ее (ри с. 30). В ы вхо ди те в н ее, ж дете, вы хо ди те и о бн аруж и ваете, что н а Зем ле п рош ло го раздо бо льш е врем ен и , чем п ро текло для вас. С его дн я м ы н е расп о лагаем техн о логи ям и , п о зво ляю щ и м и о сущ естви ть п о до бн о е, н о это ли ш ь дело техн и ки : м ы зн аем , что это возм о ж н о . О ди н и з сп о со бо в п о стро ен и я такой м аш и н ы вр ем ен и со сто и т в то м , что бы и сп о льзовать п арадо кс бли зн ец ов, ко то ры й м ы о бсуж дали в гл. 6. Д ан н ы й сп о со б п редп о лагает, что м аш и н а врем ен и , в кото ро й вы си ди те, взлетает, разго н яется до о ко ло светово й ско ро сти , дви ж ется так како е-то врем я (в зави си м о сти о т то го , как далеко вп еред во врем ен и вы хо ти те о тп рави ться) и затем во звращ ается н азад. В ас н е до лж н о уди влять, что м аш и н а врем ен и п о со вм ести тельству является ко см и чески м ко раблем , п о том у что со гласн о тео ри и о тн о си тельн о сти врем я и п ро стран ство взаи м о связан ы . В лю бом случ ае н а п ро тяж ен и и всей п ро ц ед уры еди н ствен н ы м «м есто м » для вас б уд ет п о м ещ ен и е м аш и н ы врем ен и . К о гда ж е вы вы й дете н аруж у, то уб еди тесь, что н а Зем ле м и н уло бо льш е врем ен и , чем п рош ло для вас. В ы со верш и ли п утеш естви е в б уд ущ ее. Н о см о ж ете ли в ерн уться? М о ж ем ли м ы со здать усло ви я, н ео бхо ди м ы е для п утеш естви я назад во врем ен и ? П ервы й н ам ек н а то, что зако н ы ф и зи ки п о зво ляю т лю дям п утеш ество вать н азад во врем ен и , п о яви лся в 1949 г., когда К урт 121
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Р и с. 30. А втор ы в м аш и н е в р ем ен и
Г едель н аш ел н ово е реш ен и е уравн ен и й Э й н ш тей н а, то есть н овую стр уктур у п ро стран ства-врем ен и , до п усти м ую с то чки зрен и я о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти . У равн ен и ям Э й н ш тей н а удо влетво ряет м н о го разли чн ы х м атем ати чески х м о делей В селен н о й . О н и разли чаю тся, н ап ри м ер, н ачальн ы м и и ли гран и чн ы м и усло ви ям и . М ы до лж н ы п ро вери ть и х ф и зи чески е п редсказан и я, что бы реш и ть, соо тветствую т ли о н и В селен н о й , в ко то ро й м ы ж и вем . К ак м атем ати к Г едель п ро слави лся сво и м до казательством того , что н е все и сти н н ы е утверж ден и я м о ж н о до казать, даж е 122
если дело сво ди тся к п оп ы тке до казать все и сти н н ы е утверж ден и я п редм ета сто ль ясн о о черчен н о го и ф о рм альн о го, как ари ф м ети ка. П о до бн о п ри н ц и п у н ео п ределен н о сти , тео рем а Г еделя о н еп о лн о те м ож ет бы ть ф ун дам ен тальн ы м огран и чен и ем н аш ей сп о со бн о сти п о зн авать и п редсказы вать В селен н ую . Г едель п о зн ако м и лся с о бщ ей тео ри ей о тн о си тельн о сти , ко гда н а склон е лет рабо тал с Э й н ш тей н о м в П ри н сто н ско м и н сти туте п ерсп екти вн ы х и сследо ван и й . П ро стран ство -врем я Г ѐделя и м ело лю бо п ы тн ую о со бен н о сть: В селен н ая у н его вращ алась как ц ело е. К ако й см ы сл н есет в себе утверж ден и е, что вращ ается вся В селен н ая? В ращ аться — зн ачи т крути ться во круг чего -то , н о н е п о дразум евает ли это сущ ество ван и е н еп о дви ж н ого ц ен тра вращ ен и я? Т ак что м ож н о бы ло бы сп ро си ть: вращ ается о тн о си тельн о чего ? О твет н о си т н еско лько техн и чески й характер, н о в о сн овн о м сво ди тся к то м у, что удален н ая м атери я вращ ается о тн о си тельн о н ап равлен и й , н а ко то ры е указы ваю т о си во лчков и ли ги ро ско п о в. В п ростран стве-врем ен и Г ѐделя вращ ен и е и м еет м атем ати чески й п о бо чн ы й эф ф ект, со сто ящ и й в то м , что если бы кто -то удали лся н а бо льш о е рассто ян и е о т Зем ли , а затем верн улся, то о н м ог бы п о п асть н а Зем лю до то го м ом ен та, когда о тп рави лся в п уть. Э й н ш тей н а си льн о расстраи вало то , что его уравн ен и я до п ускаю т п о до бн о е реш ен и е. О н п о лагал, что о бщ ая тео ри я о тн о си тельн ости н е до лж н а п о зволять п утеш естви я во врем ен и . Н о реш ен и е Г ѐделя, хо тя и уд о влетво ряет уравн ен и ям Э й н ш тей н а, н е С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
соо тветствует В селен н о й , в ко то ро й м ы ж и вем . Н аблю ден и я п о казы ваю т, что н аш а В селен н ая н е вращ ается — п о край н ей м ере, это н е зам етн о. К ро м е того , вселен н ая Г ѐделя н е расш и ряется, как н аш а. О дн ако за м и н увш и е го ды учен ы е, ан али зи рую щ и е уравн ен и я Э й н ш тей н а, н аш ли други е стр уктуры п ро стран ства-врем ен и , п ри ем лем ы е с то чки зрен и я о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти и до п ускаю щ и е п утеш естви е 123
в п ро ш ло е. Т ем н е м ен ее н аблю ден и я м и крово лн о вого ф он а и дан н ы е о расп ро стран ен н о сти легки х элем ен то в сви детельствую т, что ран н яя В селен н ая н е бы ла и скри влен а так, как п редусм атри ваю т эти м о дели и как требуется, что бы стали возм ож н ы п утеш естви я во врем ен и . Т о т ж е сам ы й вы во д след ует и и з тео рети чески х вы кладо к, п ри усло ви и что сп раведли во п редп о лож ен и е о б отсутстви и гран и ц . И так, воп ро с сво ди тся к след ую щ ем у: если В селен н ая и зн ачальн о н е и скри влен а так, как треб уется дл я п утеш естви й во врем ен и , удастся ли н ам вп о следстви и деф о рм и ро вать огран и чен н ы е о бласти п ро стран ства-врем ен и н асто лько, что бы это стало во зм ож н ы м ? И п о ско льку врем я и п ро стран ство взаи м о связан ы , вас о п ять-таки н е до лж н о уди влять, что во п ро с о п утеш естви ях н азад во врем ен и тесн о п ереп летается с п ро блем о й п ерем ещ ен и я н а сверхсвето вы х ско ро стях. Н етр удн о п о казать, что п утеш естви я во врем ен и п редп о лагаю т сверхсвето вы е п ередви ж ен и я: сделав п о следн и й этап ваш его п утеш естви я п ерем ещ ен и ем н азад во врем ен и , вы см о ж ете уло ж и ть всю ваш у о ди ссею в ско ль уго дн о ко ро тки й сро к, а зн ачи т, см ож ете п ерем ещ аться с н еогран и чен н о й ско ро стью ! Н о, как м ы уви ди м , верн о такж е и о братн о е: если вы сп о со бн ы п ерем ещ аться с н ео гран и чен н о й ско ро стью , то см ож ете и п утеш ество вать н азад во врем ен и — о дн о н евозм ож н о без друго го . П ро блем а п утеш естви й со сверхсвето вой ско ро стью си льн о зан и м ает ф ан тасто в. С уть ее со сто и т в след ую щ ем : со гласн о тео ри и о тн о си тельн о сти , о тп рави в ко см и чески й ко рабль к бли ж ай ш ей звезде, альф е Ц ен тавра, кото рая н ахо ди тся н а рас сто ян и и о ко ло четы рех световы х лет, м ы н е м о ж ем рассчи ты вать, что его ком ан да верн ется к н ам и соо бщ и т о сво и х откры ти ях ран ее чем через во сем ь лет. А если бы эксп еди ц и я о тп рави лась к ц ен тру н аш ей Г алакти ки , это т сро к со стави л бы как м и н и м ум сто ты сяч лет. С кверн ая си туац и я для и сто ри й о м еж галакти чески х во й н ах! 124
Т ео ри я о тн о си тельн о сти о ставляет о дн о утеш ен и е, о п ять-таки касаю щ ееся п арадо кса бли зн ец ов: м о ж н о сделать так, что ко см и чески м стран н и кам п утеш естви е п о каж ется н ам н о го ко ро че, чем о ставш и м ся н а З ем ле. Н о н ем н ого радо сти в то м , что бы , п роведя в ко см и ческом рей се н еско лько лет, о бн ар уж и ть п о во звращ ен и и , что все, кого вы о стави ли , ум ерли ты сячелети я н азад. И дабы п о до греть естествен н ы й чело вечески й и н терес к свои м и сто ри ям , ф ан тасты вы н уж ден ы бы ли п редп о ло ж и ть, что о дн аж ды м ы н аучи м ся п ерем ещ аться бы стрее света. Б о льш и н ство и з н и х, каж ется, н е о со зн ает то го, что возм о ж н о сть п ерем ещ аться бы стрее света влечет за со бо й в соо тветстви и с тео ри ей о тн о си тельн о сти и во зм ож н о сть п утеш естви й в п ро ш ло е, как гов о ри тся в ли м ери ке: О чен ь ш устрая м и сс и з Д акоты Г о вори ла: «Э й н ш тей н — это что -то ! Р аз летала я где-то В ы ш е ско ро сти света И верн улась за ден ь до о тлета!»' К лю ч к это й взаи м о связи в то м , что согласн о тео ри и о тн о си тельн о сти н е сущ ествует н е то лько н и како й ед и н о й для всех н аблю дател ей м еры врем ен и , н о что п ри н еко то ры х о бсто ятельствах н ет н уж ды даж е в то м , что бы н аблю датели бы ли со гласн ы о тн о си тельн о очередност и со бы ти й . В частн о сти , если два собы ти я А и В п ро и схо дят так далеко др уг о т др уга в п ро стран стве, что ракета до лж н а п ерем ещ аться бы стрее света, что бы п о сп еть о т со бы ти я А к со бы ти ю В , тогда два н аблю дателя, п ерем ещ аю 1
П еревод И льи Р атн ера. В ори ги н але этот ли м ери к звучи т так: There was a young lady of Wight // Who С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
traveled much faster than light. // She departed one day,// In a relative way,// And arrived on the previous night. Н евольн о всп ом и н ается сти х отвор ен и е С ам уи ла М арш ака: С егодн я в п олден ь п ущ ен а ракета.// О на лети т куда бы стрее света // И долети т д о ц ели в сем ь утра // В чера... 125
щ и еся с разли чн ы м и ско ро стям и , м о гут н е согласи ться, что сл учи ло сь ран ьш е: со бы ти е А и ли со бы ти е В . Д о п усти м , к п ри м еру, что со бы ти е А — это ф и н и ш заклю чи тельн ого сто м етро вого забега н а О ли м п и й ски х и грах 2012 г., а со бы ти е В — о ткры ти е 100004 -го К о н гресса альф ы Ц ен тавра. Д о п усти м , что для н аблю дателя н а Зем ле со бы ти е А п редш ествует со бы ти ю В . С каж ем , со бы ти е В п ро и схо ди т го до м п озж е — в 2013 г. п о врем ен и Зем ли . Т ак как Зем ля и альф а Ц ен тавра разделен ы рассто ян и ем о ко ло четы рех световы х лет, эти два со бы ти я удо влетво ряю т вы ш еуп о м ян уто м у кри тери ю : хо тя А случ ается п реж де В , что бы п о сп еть о т А к В , вы до лж н ы п ерем ещ аться бы стрее света. В таки х о бсто ятельствах н аблю дател ю н а альф е Ц ен тавра, удаляю щ ем уся о т Зем ли с о ко ло светово й ско ро стью , казало сь бы , что со бы ти я и м ею т о бр атн ы й п о рядо к: со бы ти е В п ро и схо ди т раньш е со бы ти я А . Э то т н аблю датель утверж дал бы , что, п ерем ещ аясь бы стрее света, м ож н о п о сп еть о т со бы ти я В к со бы ти ю А . С ледо вательн о, о бладай вы сп о со бн о стью о бго н ять свет, см огли бы верн уться о братн о о т А к В до н ачал а забега и сделать ставку, зн ая н аверн яка, кто п о беди т! Здесь во зн и кает п ро блем а, связан н ая с п рео до лен и ем светово го барьера. Т ео ри я о тн о си тельн о сти утверж дает, что п о м ере п ри бли ж ен и я к ско ро сти света для уско рен и я ко см и ческого ко рабля требуется все больш е и больш е эн ерги и . Т о м у есть эксп ери м ен тальн ы е п о дтверж ден и я, п о лучен н ы е н е для ко см и чески х ко раблей , а для элем ен тарн ы х части ц , разгон яем ы х н а уско ри телях, ко то ры м и расп о лагаю т, н ап ри м ер, Н ац и о н альн ая лабо рато ри я и м ен и Ф ерм и в С Ш А и ли Е вро п ей ски й ц ен тр я дерн ы х и сследо ван и й (Ц Е Р Н ). Н ам удается уско рять части ц ы до 99,99% ско ро сти света, н о н е п ереско чи ть свето во й барьер, ско лько бы н и н аращ и валась м о щ н о сть устан о вки . Т ак и с ко см и чески м и ко раблям и : н езави си м о о т м ощ н о сти ракеты о н и н е м о гут разго н яться вы ш е ско ро сти света. И п о ско льку п утеш естви е в п ро ш ло е во зм ож н о то лько п ри п ерем ещ ен и и бы стрее света, 126
это , казало сь бы , и склю чает и ско ро стн ы е ко см и чески е п ерелеты , и п утеш естви я н азад во врем ен и . Т ут, о дн ако, во зм о ж ен н еки й о бхо дн о й м ан евр. М ож н о бы ло бы п о п ро бо вать деф о рм и ро вать п ро стран ство -врем я так, что бы о ткры лся ко ротки й п уть и з А в В . О ди н и з сп о со бов со сто и т в том , что бы со здать и з А и В так н азы ваем ую кро то вую н о ру. К ак ясн о и з сам о го терм и н а, кро то вая н о ра — это то н кая п ро стран ствен н о -врем ен н ая трубка, ко то рая м о ж ет со еди н ять две далеки е др уг о т др уга о бласти п о чти п ло ского п ро стран ства (ри с. 31). Здесь п ро слеж и вается о тдален н ое схо дство с то й си туац и ей , ко гда вы н ахо ди тесь у п о дн ож и я вы со ко го го рн о го хребта. Ч то бы п о п асть н а др угую сто ро н у, н уж н о до лго взби раться н аверх, а затем сп ускаться. Н о это го н е п о требуется, если то лщ у скальн о й п о ро ды п ро н и зы вает ги ган тски й гори зо н тальн ы й то н н ель. П редп о ло ж и м , что м ож н о со здать и ли н ай ти крото вую н о р у, вед ущ ую и з н аш ей С о лн ечн о й си стем ы к альф е Ц ен тавра. П ро тяж ен н о сть тако й н о ры м огла бы со ставлять всего н еско лько м и лли о н ов ки ло м етров, хо тя в о бы чн ом п ро стран стве рассто ян и е м еж д у Зем лей и альф о й Ц ен тавра со ставляет о ко ло со ро ка м и лли о н ов м и лли о н ов ки лом етро в. Е сли бы м ы п ередали через кро то вую н о ру и звести е о б и тогах сто м етрового забега, н аш е соо бщ ен и е усп ело бы до сти чь ц ели задо лго до о ткры ти я кон гресса. Н о тогда н аблю датель, летящ и й к Зем ле, тож е н аш ел бы кро то вую н о р у, ко то рая п о зво ли ла бы ем у до браться до Зем ли с о ткры ти я ко н гресса н а альф е Ц ен тавра п еред н ачало м забега. Т ак что кро то вы е н о ры , п о до бн о лю бы м др уги м сп о со бам сверхсвето вого п ерем ещ ен и я, п о зво ли ли бы п утеш ество вать в п рош ло е. С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
И дея кро то вы х н о р, со еди н яю щ и х разли чн ы е о бласти п ро стран ства -врем ен и , н е вы д ум ан а ф ан тастам и , а во схо ди т к о чен ь авто р и тетн о м у и сто чн и ку. В 1935 г. А льберт Э й н ш тей н и Н атан Р озен н ап и сали работу, в ко то ро й до казы вали , что о бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти до п ускает о бразо ван и е то го, что о н и н азвали «м о стам и » и что теп ерь и звестн о как кро то вы е н о ры . 127
Р и с. 31. К р отов ая н ор а. Е сли кротовы е н оры сущ ествую т, он и м огут сл уж и ть кратчай ш и м и п утям и м еж д у удален н ы м и точкам и косм и ческого п р остран ства.
М о сты Э й н ш тей н а— Р о зен а н е м о гли сущ ество вать до стато чн о до лго , что бы через н и х п рош ел ко см и чески й ко рабль: п ри закры ти и кро то во й н о ры ко рабль п о п ал бы в си н гулярн о сть. О дн ако бы ло вы сказан о п редло ж ен и е, что техн о логи чески разви тая ц и ви ли зац и я м о гла бы держ ать крото вую н о ру о ткры то й . М о ж н о п о казать, что для до сти ж ен и я этого и ли для сво рачи ван и я п ро стран ства-врем ен и лю бы м др уги м сп о со бо м , до п ускаю щ и м п утеш естви я во врем ен и , н уж н а о бласть п ро стран ства -врем ен и с о три ц ательн о й кри ви зн о й , п о до бн ая п о верхн ости седла. О бы чн ая м атери я, о бладаю щ ая п о лож и тельн ой п ло тн о стью эн ерги и , п ри дает п ро стран ству -врем ен и п о ло ж и тельн ую кри ви зн у, н ап о м и н аю щ ую п о верхн о сть сф еры . П о этом у для тако й деф о рм ац и и п ро стран ства-врем ен и , ко то рая п о зво ли т п утеш ество вать в п ро ш ло е, п о н адо би тся м атери я с о три ц ательн о й п ло тн о стью эн ерги и . Ч то о зн ачает отри ц ательн ая п ло тн о сть эн ерги и ? Э н ерги я отдален н о н ап о м и н ает ден ьги : расп о л агая п о ло ж и тельн ы м балан сом , вы м о ж ете п о -разн о м у расп ределять ден еж н ы е средства п о 128
счетам , н о со гласн о класси чески м зако н ам , кото ры е п ри зн авали сь в н ачале двадц атого сто лети я, н и с какого счета н ельзя сн ять бо льш е ден ег, чем н а н ем леж и т. Т аки м о бразо м , эти класси чески е зако н ы и склю чали о три ц ательн ую п ло тн о сть эн ерги и и , следо вательн о, лю б ую во зм о ж н о сть п утеш естви й н азад во врем ен и . О дн ако , как м ы п о казали в п реды д ущ и х главах, класси чески е зако н ы бы ли п о тесн ен ы кван то вы м и , о сн ован н ы м и н а п ри н ц и п е н ео п р еделен н о сти . К ван то вы е закон ы ли беральн ее и до п ускаю т п ерерасхо д средств н а о дн ом и ли двух счетах п ри усло ви и , что о бщ и й балан с п о лож и телен . Д руги м и сло вам и , кван то вая тео ри я до п ускает о три ц ательн ую п ло тн о сть эн ерги и в н еко то ры х о бластях п ро стран ства, п ри усло ви и что он а ко м п ен си руется п о лож и тельн о й п ло тн о стью эн ерги и в др уги х о бластях, так что бы эн ерги я в ц елом о ставалась п о лож и тельн о й . И так, у н ас есть о сн ован и я дум ать, что п ро стран ство -врем я м ож ет бы ть деф о рм и ро ван о, п ри чем его м ож н о сверн уть так, что это сделает во зм ож н ы м и п утеш естви я во врем ен и . С о гласн о ф ей н м ан овском у м ето д у и н тегралов п о траекто ри ям сво его ро да п утеш естви я в п ро ш ло е п ро и схо дят в м асш табе о тдельн ы х части ц . В м о дели Ф ей н м ан а части ц а, дви ж ущ аяся вп еред во врем ен и , экви вален тн а ан ти части ц е, п ерем ещ аю щ ей ся н азад во врем ен и . Е го м атем ати чески й ап п арат п о зво ляет рассм атри вать п ару и з части ц ы и С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
ан ти части ц ы , кото ры е возн и каю т вм есте и затем взаи м н о ун и что ж аю тся, как о дн у части ц у, п ерем ещ аю щ ую ся п о зам кн уто й п етле в п ро стран стве-врем ен и . Ч то бы уви деть это , сн ачала и зо брази м п роц есс тради ц и он н ы м сп о со бом . В н еко то ры й м о м ен т, скаж ем в м ом ен т А , о бразую тся части ц а и ан ти части ц а. О бе о н и дви ж утся вп еред во врем ен и . П о здн ее, в м ом ен т В , о н и вступ аю т во взаи м одей стви е и ан н и ги ли рую т. Д о м ом ен та А и п о сле м о м ен та В н и каки х части ц н е сущ ествует. Т ем н е м ен ее, след уя за Ф ей н м ан о м , вы м ож ете взглян уть н а это и н аче. В м о м ен т А во зн и кает еди н ствен н ая час129
ти ц а. О н а дви ж ется вп еред во врем ен и к м ом ен ту В , а затем возвращ ается н азад во врем ен и к м ом ен ту А . В м есто части ц ы и ан ти части ц ы , со вм естн о дви ж ущ и хся вп еред во врем ен и , сущ ествует ли ш ь о ди н о бъ ект, п ерем ещ аю щ и й ся п о п етле о т м о м ен та А к м ом ен ту В и о братн о . К о гда о бъ ект дви ж ется вп еред во врем ен и (о т м о м ен та А к м ом ен ту В ), о н н азы вается части ц ей . К о гда ж е о н п ерем ещ ается н азад во врем ен и (о т м о м ен та В к м ом ен ту А ), это ан ти части ц а, п утеш ествую щ ая вп еред во врем ен и (ри с. 32). Т ако е п утеш естви е во врем ен и сп о со бн о вы зы вать н аблю даем ы е эф ф екты . П о это м у п раво м ерн о сп ро си ть: до п ускает ли кван то вая тео ри я п утеш естви я во врем ен и м акро ско п и ческо го м асш таба, ко то ры е лю ди м огли бы и сп о льзовать? Н а п ервы й взгляд каж ется, что до п ускает. Ф ей н м ан овски е и н тегралы п о траекто ри ям до лж н ы о хваты вать все возм о ж н ы е сц ен ари и , а зн ачи т, и те, в ко то ры х п ро стран ство -врем я н асто лько деф о рм и ро ван о, что до п ускает п утеш естви я в п рош ло е. У чи ты вая эти тео рети чески е соо браж ен и я, м о ж н о бы ло бы н адеяться, что п ро гресс н ауки и техн и ки п о зво ли т н ам в ко н ечн ом счете п о стро и ть м аш и н у врем ен и . И все -таки , даж е если счи тать, что и звестн ы е зако н ы ф и зи ки н е и склю чаю т во зм ож н о сти п утеш естви й во врем ен и , есть ли и н ы е п ри чи н ы со м н еваться в то м , что о н и возм о ж н ы ? П реж де всего , возн и кает во п ро с: если м о ж н о п утеш ество вать в п рош ло е, п о чем у н и кто н е п ри бы л к н ам и з б уд ущ его и н е сказал, как это делается ? Н е и склю чен о , что и м ею тся вески е п ри чи н ы , п о чем у бы ло бы н еразум н о раскры ть тай н у п утеш естви й во врем ен и н ам , сто ящ и м н а п ри м и ти вн о й ступ ен и разви ти я, и , если человеческая н атур а н е и зм ен и тся ради кальн о , трудн о о ж и дать, что како й -н и б удь го сть и з буд ущ его п ро го во ри тся. К о н ечн о, ко е-кто стан ет утверж дать, б удто Н Л О — сви детельство того , что н ас п о сещ аю т и ли и н оп лан етян е, и ли лю ди и з буд ущ его . (У чи ты вая рассто ян и я до други х звезд, до браться к н ам за бо лее и ли м ен ее п ри ем лем о е врем я и н о п лан етян е м огли бы , то л ько 130
п ерем ещ аясь бы стрее света, так что эти две возм о ж н о сти , ви ди м о, м о ж н о счи тать экви вален тн ы м и .) О тсутстви е ви зи теров и з буд ущ его п равом ерн о такж е сп и сать н а то , что п рош ло е заф и кси ро ван о, п о том у что м ы н аблю дали его и убеди ли сь, что он о н е и м еет деф о рм ац и й , требуем ы х для п утеш естви й н азад и з б уд ущ его . С др уго й сто ро н ы , буд ущ ее н еи звестн о и о ткры то и в н ем вп о лн е м о ж ет встрети ться н ео бхо ди м о е и скри влен и е. Э то о зн ачало бы , что лю бы е п утеш естви я во врем ен и о гран и чен ы буд ущ и м п о о тн ош ен и ю к н ам врем ен ем . А в н асто ящ ем н ет н и каки х ш ан со в н а п о явлен и е кап и тан а К и рка и звездо лета «Э н терп рай з». С казан н о е, м о ж ет, и о бъ ясн яет, п о чем у м ы п о ка н е н аблю даем н ап лы ва тури сто в и з б уд ущ его , н о н е сн и м ает друго й п ро блем ы , ко то рая возн и кн ет, если кто -то верн ется н азад во врем ен и и и зм ен и т хо д вещ ей . К ак м ы то гда и збави м ся о т н едо разум ен и й с и сто ри ей ? П редставьте себе, н ап ри м ер, что кто -то верн улся в п рош ло е и п ередал н ац и стам секрет ато м н о й бо м бы . И ли вы во зврати ли сь н азад и уби ли сво его п рап радеда, п реж де чем о н о бзавел ся детьм и . Е сть м н ого верси й этого п арадо кса, н о суть у н и х о дн а — п ро ти во речи я, связан н ы е с во зм о ж н о стью свобо дн о и зм ен ять п ро ш ло е. П о хож е, и м еется два сп о со ба разреш и ть п арадо ксы , связан н ы е с п утеш естви ям и во врем ен и . П ервы й п о дхо д м ож н о н азвать ко н ц еп ц и ей согласован н о й и сто ри и . О н п редп о лагает, что, даж е если п ро стран ство -врем я деф орм и ро ван о таки м о бразом , что м о ж н о п ерем ести ться в п ро ш ло е, п рои схо дящ ее в п ро стран стве -врем ен и до лж н о бы ть С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
со гласо ван н ы м реш ен и ем ф и зи чески х ур авн ен и й . Д руги м и сло вам и , вы н е см ож ете п ерем ести ться н азад во врем ен и , если и сто ри я уж е заф и кси ро вала, что вы н е возвращ али сь, н е уби вали сво его п рап радеда и н е соверш и ли лю бы х др уги х дей стви й , ко то ры е п ро ти во речи ли бы и сто ри и то го, как вы до сти гли сво его текущ его со сто ян и я в н асто ящ ем врем ен и . Б о лее того , во зврати вш и сь в п рош ло е, вы бы н е м о гли и зм ен и ть заф и кси ро 131
Р и с. 32. А н ти ч асти ц а п о Ф ей н м ан у. А н ти части ц у м ож н о рассм атри вать как части ц у, п утеш ествую щ ую н азад во врем ен и . Т огда ви ртуальн ую п ару части ц а— ан ти части ц а доп усти м о восп р и н и м ать как части ц у, дви ж ущ ую ся п о зам кн утой п етле в п ростран стве-врем ен и .
132
ван н ую и сто ри ю — п ро сто следовали бы ей . В дан н о м п редставлен и и п рош ло е и б уд ущ ее п редо п ределен ы : о н и ли ш аю т вас свобо ды во ли , во зм о ж н о сти п о ступ ать, как вам хо чется. К о н ечн о , м о ж н о утверж дать, что сво бо дн ая во ля все равн о и ллю зи я. Е сли дей стви тельн о сущ ествует всео бъ ем лю щ ая ф и зи ческая тео ри я, кото рая уп равляет всем сущ и м , то след ует п о лагать, что о н а детерм и н и р ует и н аш и дей стви я. О дн ако о н а делает это так, что ее следстви я н ево зм ож н о п редвы чи сли ть для тако го слож н ого о рган и зм а, как чело веческо е сущ ество , и , кром е того , он а вклю чает о п ределен н ы й элем ен т случай н о сти , С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
соо тветствую щ и й кван то во -м ехан и чески м эф ф ектам . Э то п о зво ляет гово ри ть, что н аш и декларац и и о сво бо дн о й во ле чело века п ро и стекаю т и з н евозм о ж н о сти п редсказать, что о н б удет делать. О дн ако , если человек улети т н а ко см и ческо м ко рабле и во зврати тся ран ьш е, чем о тп рави лся, м ы см ож ем п редсказать, что о н и ли он а сделает , п о скольку это б удет частью заф и кси ро ван н о й и сто ри и . Т аки м о бразо м , в п о до бн о й си туац и и п утеш ествен н и к во врем ен и н е о бладал бы свобо до й во ли н и в каком см ы сле. Д р уго й во зм о ж н ы й сп о со б реш ен и я п арадоксо в п утеш естви я во врем ен и м ож н о н азвать ги п отезо й альтерн ати вн о й и сто ри и . И дея его со сто и т в то м , что , когда п утеш ествен н и ки во врем ен и во звращ аю тся в п ро ш ло е, он и п о п адаю т в альтерн ати вн ы е и сто ри и , кото ры е отли чаю тся о т заф и кси рован н ой и сто ри и . Т аки м о бразо м , он и м о гут дей ство вать сво бо дн о , вн е связи со сво ей п реж н ей и сто ри ей . С ти вен С п и лберг вдо воль п озабави лся, о бы гры вая это п редставлен и е в ф и льм ах «Н азад в б уд ущ ее»: М арти М акф лай , верн увш и сь в п рош ло е, см ог и зм ен и ть к лучш ем у и сто ри ю о тн ош ен и й сво и х ро ди телей . Г и п о теза альтерн ати вн о й и сто ри и весьм а н ап ом и н ает то, как Р и чард Ф ей н м ан о бъ ясн яет кван то вую тео ри ю с п о м ощ ью и н теграло в п о траекто ри ям . Э то т п о дхо д утверж дает, что у В селен н о й н ет о дн ой -еди н ствен н о й и сто ри и — п рави льн ее счи тать, что у н ее есть все возм о ж н ы е и сто ри и , каж дая и з ко то ры х о бла133
дает той и ли и н ой веро ятн о стью . О дн ако м еж д у м ето до м Ф ей н м ан а и ги п о тезой альтерн ати вн о й и сто ри и , п о хо ж е, сущ ествует важ н о е разли чи е. В и н тегралах Ф ей н м ан а каж дая траекто ри я ц ели ко м вклю чает п ро стран ство -врем я и все, что в н ем н ахо ди тся. П ро стран ство -врем я м ож ет бы ть деф о рм и рован о таки м о бразо м , что стан ет реальн ы м п ерем ещ ен и е н а ракете в п рош ло е. Н о ракета о сталась бы в то м ж е сам о м п ро стран стве-врем ен и , а зн ачи т, в то й ж е сам ой и сто ри и , ко то рая до лж н а о ставаться со гласо ван н о й . Т аки м о бразом , ф ей н м ан овская тео ри я и н теграло в п о траекто ри ям ско рее п о ддерж и вает ги п о тезу со гласован н о й , а н е альтерн ати вн о й и сто ри и . И збеж ать указан н ы х п ро блем п о м о гло бы п ри н яти е п о ло ж ен и я, ко то ро е м ож н о н азвать ги п о тезо й о защ и те хрон о ло ги и . Э то п о ло ж ен и е утверж дает, что зако н ы ф и зи ки зап рещ аю т п ерен о с и н ф о рм ац и и в п ро ш ло е м акроскопически м и телам и . Д ан н ая ги п отеза н е до казан а, н о есть п ри чи н ы п о лагать, что он а верн а. К ак п о казы ваю т вы чи слен и я, п ри деф о рм ац и ях п ро стран ства-врем ен и , до стато чн ы х для п утеш естви й в п ро ш ло е, таки м п утеш естви ям сп о со бн ы во сп реп ятствовать кван тово -м ехан и чески е эф ф екты . П равда, п о лн о й уверен н о сти в это м ещ е н ет, и во п рос о возм о ж н о сти п утеш естви й во врем ен и п о ка о стается о ткры ты м . Н о м ы н е со ветуем вам держ ать п о это м у во п ро су п ари : вдруг ваш п роти вн и к ж ульн и чает, зн ая б уд ущ ее н ап еред ?
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• Гл ава оди н н адц атая • С И Л Ы П Р И Р О Д Ы И О Б Ъ Е Д И Н Е Н И Е Ф И ЗИ К И К ак го во ри ло сь в гл. 3, бы ло бы о чен ь трудн о п о стро и ть п о лн ую о бъ еди н ен н ую тео ри ю всего во В селен н ой о дн и м м ахо м . В м есто это го м ы дви гали сь вп еред п утем со здан и я частн ы х тео ри й , ко то ры е оп и сы ваю т огран и чен н ы й круг явлен и й , п ре н ебрегая др уги м и эф ф ектам и и ли давая и м п ри бли ж ен н ую чи слен н ую о ц ен ку. И звестн ы е н ам н а сего дн я зако н ы ф и зи ки со держ ат м н о го чи сло вы х вели чи н , п о до бн ы х заряд у электро н а и ли о тн ош ен и ю м асс п ро то н а и электро н а, ко то ры е м ы н е м о ж ем — п о край н ей м ере, п о ка — вы вести и з тео ри и . М ы вы н уж ден ы оп ределять и х о п ы тн ы м п утем и п о дставлять в уравн ен и я. О дн и н азы ваю т эти чи сла ф ун дам ен тальн ы м и кон стан там и , други е — п о дгон о чн ы м и ко эф ф и ц и ен там и . Н о како й бы то чки зрен и я вы н и п ри держ и вали сь, о стается весьм а п ри м ечательн ы м ф акто м то, что зн ачен и я п о до бн ы х чи сел как б удто сп ец и альн о вы бран ы так, что бы сделать во зм о ж н ы м разви ти е ж и зн и . Н ап ри м ер, если бы заряд электрон а бы л н ем н о го др уги м , это н аруш и ло бы балан с электро м агн и тн ы х и грави тац и о н н ы х си л в звездах и он и ли бо н е см огли бы сж и гать 135
во до ро д и гели й , ли бо п ерестали бы взры ваться. М о ж н о н адеяться, что в ко н ц е ко н ц ов б удет со здан а п о лн ая, п о следовательн ая, о бъ еди н ен н ая тео ри я, кото рая вберет в себя все частн ы е тео ри и как п ри бли ж ен и я и ко то рую н е н уж н о будет п о дго н ять п о д н аблю даем ы е ф акты п о дбо ро м п ро и зво льн ы х п о сто ян н ы х вро де вели чи н ы заряда электро н а. П о и ски тако й тео ри и и звестн ы как рабо та п о «о бъ еди н ен и ю ф и зи ки ». Э й н ш тей н в сво и п о следн и е го ды п о трати л м н о го врем ен и , безусп еш н о п ы таясь н ащ уп ать п о дступ ы к о бъ еди н ен н о й тео ри и , н о час ее тогда ещ е н е п ро би л: сущ ество вали частн ы е тео ри и грави тац и он н о го и электро м агн и тн ого взаи м одей стви й , н о о чен ь м ало бы ло и звестн о о ядерн ы х си лах. К ро м е того , Э й н ш тей н о тказался п ри зн авать реальн о сть кван то во й м ехан и ки , н есм о тря н а ту важ н ую ро ль, ко то рую сы грал в ее разви ти и . О дн ако п ри н ц и п н ео п ределен н о сти , п о хо ж е, является ф ун дам ен тальн ы м сво й ством В селен н ой , в ко то рой м ы ж и вем . П о этом у со сто ятельн ая о бъ еди н ен н ая тео ри я н еп рем ен н о до лж н а вклю чать в себя это т п ри н ц и п . П ерсп екти вы создан и я тако й тео ри и сего дн я вы глядят н ам н о го реали сти чн ее, п о то м у что м ы го раздо бо льш е зн аем о В селен н о й . Н о след ует о стерегаться и зли ш н ей сам о н адеян н о сти — н ас уж е п о сещ али лож н ы е о зарен и я! В н ачале двадц ато го сто лети я, н ап ри м ер, счи тало сь, что все м ож н о о бъ ясн и ть в терм и н ах свой ств н еп реры вн о й м атери и , таки х как уп р уго сть и теп ло п ро во дн о сть. О ткры ти е стро ен и я ато м а и п ри н ц и п а н ео п ределен н о сти п о ло ж и ли реш и тельн ы й кон ец это м у убеж ден и ю . И вн овь, в 1928 г., лауреат Н о белевско й п рем и и ф и зи к М акс Б о рн сказал гру п п е п о сети телей Г етти н ген ского ун и верси тета: «Ф и зи ке, како й м ы ее зн аем , через ш есть м есяц ев п ри дет ко н ец ». Е го уверен н о сть о сн о вы валась н а н едавн ем о ткры ти и Д и рака — уравн ен и и , ко то ро е о п и сы вало электрон . Т о гда п о лагали , что п одо бн о е уравн ен и е б удет вы вед ен о и для п ро тон а, еди н ствен н о й и звестн о й в то врем я друго й части ц ы , и это стан ет ко н ц ом тео 136
рети ческо й ф и зи ки . О дн ако о ткры ти е н ей трон а и ядерн ы х си л п еречеркн уло дан н ую возм о ж н о сть. Н есм отря н а сказан н о е, сущ ествую т о сн о ван и я для о сто ро ж н ого о п ти м и зм а: возм о ж н о , н аш и п ои ски абсо лю тн ы х зако н о в п ри ро ды все ж е бли зятся к заверш ен и ю . К ван товая м ехан и ка п редп о лагает, что н о си телям и всех си л, то есть взаи м о дей стви й м еж д у части ц ам и м атери и , тож е являю тся части ц ы . Т аки м о бразом , части ц а м атери и , скаж ем электро н и ли кварк, и сп ускает части ц у, вы ступ аю щ ую н о си телем взаи м о дей стви я. О тдача о т ее и сп ускан и я и зм ен яет ско ро сть части ц ы м атери и , п о до бн о то м у как вы стрел заставляет п уш ку о ткаты ваться н азад. Ч асти ц а— п ерен о счи к взаи м о дей стви я сталки вается С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Я н к о С л ав а
с др уго й части ц ей м атери и и п о глощ ается ею , и зм ен яя ее дви ж ен и е. В ко н ечн ом счете и сп ускан и е и п о глощ ен и е дает то т ж е сам ы й результат, как если бы сущ ество вала си ла, дей ствую щ ая м еж д у двум я части ц ам и м атери и (ри с. 33). К аж до е взаи м о дей стви е п ерен о си тся части ц ам и о со бо го ти п а. Е сли части ц ы , п ерен о сящ и е взаи м о дей стви е, о бладаю т бо льш о й м ассо й , это затрудн яет и х о бразован и е и о бм ен и м и н а зн ачи тельн ы х рассто ян и ях. Т ак что взаи м о дей стви я, н о си телям и ко то ры х о н и вы ступ аю т, и м ею т о тн о си тельн о н ебо льш о й ради ус дей стви я. И н ап ро ти в, п ри п ерен о се взаи м о дей стви я части ц ам и , н е и м ею щ и м и со бствен н о й м ассы , ради ус дей стви я си лы сущ ествен н о увели чи вается. Ч асти ц ы — п ерен о счи ки взаи м о дей стви й , ко то ры м и о бм ен и ваю тся части ц ы м атери и , н азы ваю тся ви ртуальн ы м и , п о то м у что , в о тли чи е о т «реальн ы х», и х н ельзя н еп о средствен н о о бн аруж и ть п ри п о м о щ и детекто ра части ц . М ы зн аем , о дн ако , что о н и сущ ествую т благо даря п о ро ж даем о м у и м и и п о ддаю щ ем уся и зм ерен и ю эф ф екту: о н и п о рож даю т взаи м о дей стви е м еж д у части ц ам и м атери и . Ч асти ц ы -п ерен о счи ки м ож н о раздели ть н а четы ре катего ри и . Н уж н о п о дчеркн уть, что это делен и е н а четы ре класса является и скусствен н ы м , о н о п ри н ято для удо бства п о стро ен и я 137
частн ы х тео ри й и н е н есет в себе бо лее глубо ко го см ы сла. Б о льш и н ство ф и зи ков н адею тся вы й ти в кон ц е ко н ц ов н а о бъ еди н ен н ую тео ри ю , ко то рая п редстави т все четы ре взаи м о дей стви я как разн ы е асп екты еди н ствен н ого взаи м о дей стви я. П о ж алуй , м н о ги е со гласятся, что это главн ая ц ель со врем ен н о й ф и зи ки . П ервую катего ри ю со ставляет грави тац и о н н о е взаи м о дей стви е. Э то ун и версальн ая си ла, то есть каж дая части ц а и сп ы ты вает н а себе дей стви е грави тац и и со разм ерн о сво ей м ассе и ли эн ерги и . Г рави тац и о н н о е п ри тяж ен и е м ож н о п редстави ть как о бм ен ви ртуальн ы м и части ц ам и , н азы ваем ы м и грави тон ам и . Г рави тац и я — сам ая слабая и з четы рех си л, н ам н ого слабее о стальн ы х; о н а н асто лько слаба, что м ы воо бщ е н е зам ечали бы Р и с. 33. О бм ен ч асти ц ам и . С огласн о кван товой теори и п ерен осчи кам и взаи м одей стви й .
си лы
возн и каю т
вследстви е
обм ен а
части ц ам и , вы ступ аю щ и м и
138
ее, если бы н е два ее о со бы х свой ства: о н а м ож ет дей ствовать н а бо льш и х рассто ян и ях, и о н а всегда п ри тяги вает. Э то о зн ачает, что сам ы е слабы е грави тац и о н н ы е си лы м еж д у о тдельн ы м и части ц ам и двух бо льш и х тел ти п а Зем ли и С о лн ц а сп о со бн ы склады ваться в сум м арн ую , весьм а сущ ествен н ую си л у. Т ри др уги е си лы ли бо ко ро тко дей ствую щ и е, С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
ли бо м о гут как п ри тяги вать, так и отталки вать, а п о то м у о бн ар уж и ваю т тен ден ц и ю к взаи м н ом у п о гаш ен и ю . С лед ую щ ая катего ри я — электро м агн и тн о е взаи м о дей стви е, во зн и каю щ ее м еж д у электри чески заряж ен н ы м и части ц ам и , таки м и как электро н ы и кварки , н о н е вли яю щ ее н а н ей тральн ы е части ц ы ти п а н ей три н о. Э лектро м агн и тн о е взаи м о дей стви е н ам н о го си льн ее грави тац и и : электри чески е си лы м еж д у двум я электро н ам и п ри бли зи тельн о в м и лли о н м и лли он о в м и лли о н ов м и лли о н ов м и лли он о в м и лли о н ов м и лли о н ов (ед и н и ц а с со ро ка двум я н улям и ) раз си льн ее грави тац и он н ы х. О дн ако электри чески й заряд бы вает двух ти п о в: п о лож и тельн ы й и о три ц ательн ы й . М еж д у двум я п о ло ж и тельн ы м и и ли двум я о три ц ательн ы м и зарядам и во зн и кает о тталки ван и е, а м еж ду п о лож и тельн ы м и о три ц ательн ы м — п ри тяж ен и е. Б о льш о е тело вро де Зем ли и ли С о лн ц а со держ и т п о чти равн о е чи сло п о ло ж и тельн ы х и о три ц ательн ы х зарядо в. Т аки м о бразо м , п ри тяж ен и е и о тталки ван и е м еж д у о тдельн ы м и части ц ам и п о чти уравн о веш и ваю т друг др уга и результи р ую щ ая электро м агн и тн ая си ла о чен ь н евели ка. О дн ако в м асш табах ато м ов и м о лекул электро м агн и тн ы е си лы до м и н и рую т. Э лектром агн и тн о е п ри тяж ен и е м еж ду о три ц ательн о заряж ен н ы м и электро н ам и и п о ло ж и тельн о заряж ен н ы м и п рото н ам и атом н ого ядра удерж и вает электро н ы н а о рби те во кр уг ядра ато м а, так ж е как грави тац и о н н о е п ри тяж ен и е заставляет Зем лю о бращ аться во круг С о лн ц а. Э лектром агн и тн о е п ри тяж ен и е п ри н ято о бъ ясн ять о бм ен о м бо льш и м ко ли чеством части ц , н азы ваем ы х ф о то 139
н ам и . О п ять-таки эти ф о то н ы — ви ртуальн ы е части ц ы . Н о , когда электро н п ерем ещ ается с о дн ой о рби ты н а др угую , бли ж е к ядру, вы сво бож дается эн ерги я и и сп ускается реальн ы й ф о то н — п ри п о дхо дящ ей дли н е во лн ы его м о ж ет реги стри ро вать чело вечески й глаз и ли тако й детекто р ф о тон ов, как, н ап ри м ер, ф о то п лен ка. И н ао бо ро т, ко гда реальн ы й ф о то н сталки вается с атом о м , он м о ж ет п ерем ести ть электро н н а бо лее уд ален н ую о т ядра о рби ту. Н а это ухо ди т эн ерги я ф ото н а, и п о то м у о н п о глощ ается. Т ретья катего ри я н азы вается слабы м ядерн ы м взаи м о дей стви ем . В п о вседн евн о й ж и зн и м ы н е сталки ваем ся с н и м н еп о средствен н о . С лабо е взаи м о дей стви е о тветствен н о за ради о акти вн о сть — сам оп ро и зво льн ы й расп ад ато м н ы х ядер. П ри ро да слабы х ядерн ы х си л о ставалась н е вп о лн е ясн о й до 1967 г., ко гда А б д ус С алам и з И м п ерского ко лледж а в Л о н до н е и С ти вен В ай н берг и з Г арварда н езави си м о друг о т друга п редло ж и ли тео ри и , ко то ры е о бъ еди н яли слабо е взаи м о дей стви е с электром агн и тн ы м , п о до бн о то м у как п ри м ерн о веком ран ьш е М аксвелл о бъ еди н и л учен и я о б электри честве и м агн ети зм е. Т ео рети чески е п редсказан и я п о дтверди ли сь н асто лько то чн о , что в 1979 г. С алам и В ай н берг бы ли удо сто ен ы Н о белевско й п рем и и п о ф и зи ке вм есте с ещ е о дн и м уч ен ы м и з Г арварда, Ш елдо н о м Г лэш о у, ко то ры й тож е п редло ж и л п о хо ж ую о бъ еди н ен н ую тео ри ю электро м агн и тн ы х и слабы х ядерн ы х си л. В четвертую катего ри ю вхо ди т сам о е м ощ н о е и з всех си льн о е ядерн о е взаи м о дей стви е. О н о такж е н е и м еет н еп о средствен н о го о тн ош ен и я к н аш ем у п овседн евн ом у о п ы ту, н о это та сам ая си ла, кото рая скреп ляет б ольш ую часть о круж аю щ его н ас м и ра. О н а уд ерж и вает кварки вн утри п ро тон о в и н ей тро н ов и н е дает п рото н ам и н ей тро н ам п о ки н уть ядро атом а. Е сли бы н е о н а, о тталки ван и е п о лож и тельн о заряж ен н ы х п ро то н ов разо рвало бы все ато м н ы е ядра во В селен н о й , кро м е ядер во до ро да, со сто ящ и х и з о дн о го п ро тон а. П ерен о счи ко м 140
си льн о го ядерн ого взаи м о дей ств и я счи тается глю он 1 — части ц а, кото рая взаи м о дей ствует то лько сам а с со бо й и с кваркам и . У сп еш н о е о бъ еди н ен и е электро м агн и тн о го и слабо го ядерн ого взаи м о дей стви й п о дто лкн уло к м н о ж еству п оп ы то к п ри со во куп и ть к н и м кон ц еп ц и ю си льн ого ядерн ого взаи м о дей стви я в рам ках до ктри н ы , н азван н о й «вели ки м о бъ еди н ен и ем ». В это м н азван и и есть до ля п реувели чен и я: п о лучаю щ и еся тео ри и н е таки е уж вели ки е и н е вп о лн е С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
о бъ еди н ен н ы е, раз о н и н е вклю чаю т грави тац и ю 2. К ро м е того , эти о бъ еди н ен н ы е тео ри и н е н азовеш ь п о лн ы м и , п о ско льку о н и со держ ат м н о ж ество п арам етров, велечи н у ко то ры х н ельзя п редсказать тео рети чески — ее п ри хо ди тся п о дби рать эксп ери м ен тальн о . Н о , так и ли и н аче, эти тео ри и м огут стать о чередн ы м ш аго м к п о лн о й , и счерп ы ваю щ ей о бъ еди н ен н о й тео ри и . Г лавн ая трудн о сть п р и п ои ске тео ри и , объ еди н яю щ ей грави тац и ю с др уги м и взаи м о дей стви ям и , со сто и т в то м , что о бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти , о п и сы ваю щ ая грави тац и ю , является еди н ствен н ой н екван то во й тео ри ей : о н а н е п ри н и м ает во вн и м ан и е п ри н ц и п н ео п ределен н о сти . Ч астн ы е тео ри и , о п и сы ваю щ и е все о стальн ы е взаи м о дей стви я, о сн о вы ваю тся н а кван тово й м ехан и ке, и п о это м у для о бъ еди н ен и я с н и м и тео ри и грави тац и и треб уется н ай ти сп о со б, п о зво ляю щ и й вклю чи ть п ри н ц и п н ео п ределен н о сти в о бщ ую тео ри ю отн о си тельн о сти , то есть сф о рм ули ро вать кв ан то вую тео ри ю грави тац и и — задача, ко то рую п о ка н и кто н е см ог реш и ть. С о здать кван то вую тео ри ю грави тац и и о ттого так трудн о , что в соо тветстви и с п ри н ц и п ом н ео п ределен н о сти даж е «п усто е» п ро стран ство зап о лн ен о ви ртуальн ы м и п арам и части ц а-ан ти 1
О т ан гл. glue — клей . В русскоязы чн ой ли тературе объ еди н ен н ы е теори и трех взаи м одей стви й — электром агн и тн ого, слабого и си льн ого — п ри н ято н азы вать больш им объ единением . Т ерм и н великое объ единение резерви руется для еди н ой «теори и всего», которая долж н а вклю чать все четы ре и звестн ы х взаи м одей стви я. 141 2
части ц а. В п ро ти вн ом случае, если бы «п усто е» п ро стран ство бы ло дей стви тельн о со верш ен н о п усты м , все п о ля — грави тац и о н н о е, электром агн и тн о е и др уги е — бы ли бы в то чн о сти равн ы н улю . О дн ако вели чи н а п о ля и ско ро сть ее и зм ен ен и я во врем ен и связан ы м еж д у со бо й так ж е, как п о ло ж ен и е части ц ы и ее ско ро сть (то есть и зм ен ен и е п о лож ен и я). И з п ри н ц и п а н еоп ределен н о сти вы текает, что чем то чн ее м ы зн аем о дн у и з эти х вели чи н , тем м ен ее то чн ы н аш и зн ан и я о друго й . Е сли бы п о ле в п усто м п ро стран стве бы ло в то чн о сти равн о н ул ю , он о и м ело бы и то чн ую (н улевую ) вели чи н у и то чн ую (о п ять-таки н улевую ) ско ро сть и зм ен ен и я, что п роти во речи ло бы п ри н ц и п у н ео п ределен н о сти . Т аки м о бразо м , до лж ен сущ ествовать н еко то ры й м и н и м альн ы й уро вен ь н ео п ределен н о сти и ли кван товы х ф л уктуац и й вели чи н ы п о ля. Э ти ко лебан и я м ож н о рассм атри вать как п ары части ц , ко то ры е вм есте п о являю тся в н еко то ры й м ом ен т, разлетаю тся, а затем вн овь сбли ж аю тся и ан н и ги ли рую т (ри с. 34). Э то ви ртуальн ы е части ц ы , п о до бн ы е тем , ч то сл уж ат п ерен о счи кам и взаи м о дей стви й . В о тли чи е о т реальн ы х части ц , и х н евозм о ж н о н еп о средствен н о н аблю дать с п ом о щ ью детекто ров части ц . О дн ако п о рож даем ы е и м и ко свен н ы е п ро явлен и я, таки е как н ебо льш и е и зм ен ен и я эн ерги и электрон н ы х о рби т, п о ддаю тся и зм ер ен и ю и п о рази тельн о то чн о согласую тся с тео рети чески м и п редсказан и ям и . В сл учае ф л уктуац и й электро м агн и тн о го п о ля речь и дет о ви ртуальн ы х ф о тон ах, а в случае ф л уктуац и й грави тац и он н о го п о ля — о ви ртуальн ы х грави то н ах. О дн ако ф луктуац и и п о лей слабого и си льн о го взаи м о дей стви й п редставляю т со бой ви ртуальн ы е п ары части ц вещ ества, таки х как электро н ы и ли кварки . В п о до бн ы х ви ртуальн ы х п арах о ди н элем ен т б удет части ц ей , а др уго й — ан ти части ц ей (в сл учае света и грави тац и и части ц ы и ан ти части ц ы о ди н ако вы ). П ро блем а в том , что ви ртуальн ы е части ц ы о бладаю т эн ерги ей . И п о ско льку сущ ествует беско н ечн о е чи сло п ар ви ртуаль142
н ы х части ц , о н и ф акти чески до лж н ы бы ли бы и м еть беско н ечн ую эн ерги ю , а зн ачи т — в соответстви и с и звестн ы м уравн ен и ем Э й н ш тей н а Е = т с 2, — и беско н ечн ую м ассу. С о гласн о о бщ ей тео ри и о тн о си тельн о сти это п ри вело бы к тако м у грави тац и о н н ом у и скри влен и ю п ро стран ства, что В селен н ая сж алась бы до беско н ечн о м алы х разм еров. О дн ако н и чего п о до бн ого явн о н е п ро и схо ди т! А н ало ги чн ы е, п о -ви ди м о м у абсурдн ы е, С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
б еско н ечн о сти возн и каю т и в др уги х частн ы х тео ри ях — си льн ого , слабого и электро м агн и тн о го взаи м о дей стви й , — н о для н и х сущ ествует так н азы ваем ая п ро ц едур а п ерен о рм и ро вки , ко то рая п о зво ляет и збавляться о т беско н ечн о стей . Б лаго даря ей м ы и см огли создать кван то вы е тео ри и эти х взаи м о дей стви й . П ерен о рм и ровка вво ди т н о вы е бескон ечн о сти , ко то ры е м атем ати чески со кращ аю тся с беско н ечн о стям и , во зн и каю щ и м и в тео ри и . О дн ако это со кращ ен и е н е о бязательн о до лж н о бы ть п о лн ы м . М ож н о вы брать н о вы е беско н ечн о сти так, что бы п ри со кращ ен и и п о лучался н ебо льш ой о стато к. Э ти о статки н азы ваю тся п ерен о рм и рован н ы м и вели чи н ам и . Х о тя п о до бн ая о п ерац и я дово льн о сом н и тельн а с то чки зрен и я м атем ати ки , о н а, каж ется, все-таки работает. Е е п ри м ен ен и е в тео ри ях си льн о го, слабо го и электро м агн и тн о го взаи м о дей стви й дает п редсказан и я, ко то ры е н еверо ятн о то чн о со гласую тся с н аблю ден и ям и . Т ем н е м ен ее и сп о льзо ван и е п ерен о рм и ро вки для п о и ско в п о лн о й ф и зи ческой тео ри и и м еет серьезн ы й н едо стато к, п о ско льку о зн ачает, что м ассы части ц и си лы взаи м о дей стви й н ельзя п редсказать тео рети чески , а следует п о дгон ять п о д результаты эксп ери м ен тов. П о п ы тки п ри м ен и ть п ерен о рм и ро вку для устран ен и я кван товы х беско н ечн о стей и з о бщ ей тео ри и отн о си тельн о сти п о ка п о зво ли ли п ри вести к ж елаем ом у ви д у то лько две вели чи н ы — си лу тяго тен и я и ко см о логи ческую п о сто ян н ую , ко то рую Э й н ш тей н ввел в сво и уравн ен и я, буд учи уверен , что В селен н ая н е расш и ряется (см . гл. 7). К ак вы ясн яется, и х ко рректи ровки н едо стато чн о для и збавлен и я о т всех бес 143
Р и с. 34. Ф ей н м ан ов ск ая ди агр ам м а в и р туал ь н ой п ар ы ч асти ц а-ан ти ч асти ц а. П ри м ен и тельн о к электрон у п ри н ц и п н еоп ред елен н ости п редп олагает, что в п устом п ростран стве ви ртуальн ы е п ары части ц а— ан ти части ц а возн и каю т, а затем ан н и ги ли р ую т.
ко н ечн о стей . П о это м у кван товая тео ри я грави тац и и п ро до лж ае т п редсказы вать, что н еко то ры е вели чи н ы , н ап ри м ер и скри влен и е п ро стран ства -врем ен и , беско н ечн ы , то гда как н а п ракти ке он и вп о лн е п о ддаю тся и зм ерен и ю и о казы ваю тся кон ечн ы м и ! У чен ы е давн о п о до зревали , что дан н о е о бсто ятельство стан ет п реградой н а п ути вклю ч ен и я п ри н ц и п а н еоп ределен н о сти в о бщ ую тео ри ю о тн о си тельн о сти , н о в 1972 г. и х оп асен и я бы ли н акон ец п о дкреп лен ы детальн ы м и вы чи слен и ям и . Ч еты рьм я го дам и п о зж е бы ло п редло ж ен о во зм о ж н о е реш ен и е п ро блем ы , н азван н о е «суп ерграви тац и ей ». К н есчастью , вы ясн ен и е то го, о ставляет ли суп ерграви тац и я м есто для каки х -ли бо беско н ечн о стей , требо вало н асто лько сло ж н ы х и трудо ем ки х вы чи слен и й , 144
что н и кто за н и х н е взялся. П о п редвари тельн ы м оц ен кам , даж е ком п ью теру н а это С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
п о требо вали сь бы го ды , и о чен ь вы со ка веро ятн о сть того , что в п о дсчеты вкралась бы п о край н ей м ере о дн а о ш и бка, а веро ятн о, и бо льш е. Т ак что удо стовери ться в п рави льн о сти результата м ож н о бы ло бы то лько в то м случае, если бы кто -то ещ е п овто ри л вы чи слен и я и п о лучи л то т ж е сам ы й и тог, что п редставляло сь край н е м ало веро ятн ы м ! Н есм о тря н а эти п ро блем ы и н а то , что части ц ы , ф и гури р ую щ и е в тео ри ях суп ерграви тац и и , п о хо ж е, н и как н е соо тн о си ли сь с и звестн ы м и н ауке части ц ам и , бо льш и н ство учен ы х п о лагало , что суп ерграви тац и я п о ддается п ерен о рм и ровке и , веро ятн о , является реш ен и ем п ро блем ы о бъ еди н ен и я ф и зи ки . О н а казалась н аи луч ш и м сп о со бо м о бъ еди н и ть грави тац и ю с о стальн ы м и взаи м о дей стви ям и . Н о во т, в 1984 г., п рои зо ш ел зн ам ен ательн ы й п о во ро т в сто ро н у сем ей ства тео ри й , н азы ваем ы х тео ри ям и струн . Д о п о явлен и я тео ри й струн счи тало сь, что каж дая и з ф ун дам ен тальн ы х элем ен тарн ы х части ц м о ж ет н ахо ди ться в о п ределен н о й то чке п ро стран ства. В тео ри ях стр ун ф ун дам ен тальн ы е о бъ екты н е то чечн ы е части ц ы , а п ро тяж ен н ы е. О н и и м ею т дли н у, н о н и каки х др уги х и зм ерен и й , п о до бн о струн е с беско н ечн о м алы м п о п еречн ы м сечен и ем . Э ти о бъ екты м о гут и м еть ко н ц ы (так н азы ваем ы е о ткры ты е струн ы ) и ли сво рачи ваться в ко льц о (зам кн уты е стр ун ы ). Ч асти ц а в каж ды й м о м ен т врем ен и зан и м ает о дн у то чку п ро стран ства. С трун а ж е в каж ды й м ом ен т врем ен и зан и м ает в п ро стран стве ли н и ю . Д ве стр ун ы м огут сли ться в о дн у; в сл учае о ткры ты х стр ун п ро сто со еди н яю тся и х кон ц ы , а в сл учае закры ты х — это н ап ом и н ает со еди н ен и е ш тан и н в о дн о й п аре брю к 1. Т о чн о так ж е о дн а струн а м о ж ет раздели ться н а две. 1
Т ак вы гляди т п роц есс сли ян и я стр ун н а трехм ерн ой п ростран ствен н о -врем ен н ой ди аграм м е, где два и зм ерен и я п ростран ствен н ы е, а одн о — врем ен н ое. Зн ачи тельн о более п одр об н ое п оп уляр н ое оп и сан и е теори и стр ун дается в зам ечательн ой кн и ге Б рай ан а Г ри н а «Э леган тн ая В селен н ая. С уп ер стр ун ы , скры ты е разм ерн ости и п ои ски окон чательн ой теори и » (М ., 2004). 145
Е сли элем ен тарн ы е о бъ екты во В селен н о й п редставляю т со бо й струн ы , что ж е тако е тогда то чечн ы е части ц ы , кото ры е м ы , п о хо ж е, н аблю даем в эксп ери м ен тах? В тео ри ях стр ун то , что р ан ее счи тало сь разли чн ы м и то чечн ы м и части ц ам и , рассм атри вается как разли чн ы е ви ды во лн , расп ро стран яю щ и хся п о струн ам , вро де тех, что п ро бегаю т п о ви бри р ую щ ей бечевке во зд уш н ого зм ея. С ам и ж е струн ы вм есте со свои м и ко лебан и ям и н асто лько м алы , что даж е луч ш и е н аш и техн о логи и н е сп о со бн ы вы яви ть и х ф о рм у, п о том у-то во всех н аш и х эксп ери м ен тах о н и и вед ут себя как кро ш ечн ы е, бесф о рм ен н ы е то чки . П редставьте себе, что вы рассм атри ваете кро ш ечн ую п ы ли н ку: вбли зи и ли п о д л уп о й , вы м о ж ете уви деть, что о н а и м еет н еп рави льн ую и ли даж е стр ун о п о до бн ую ф о рм у, н о во т н а рассто ян и и п ы ли н ка вы гляди т ли ш ен н о й характерн ы х черт то чко й . В тео ри и струн и сп ускан и е и ли п о глощ ен и е о дн о й части ц ы друго й соо тветствует делен и ю и ли сли ян и ю стр ун . Н ап ри м ер, в ф и зи ке элем ен тарн ы х части ц грави тац и о н н о е воздей стви е С о лн ц а н а Зем лю о бъ ясн яется тем , что части ц ы со лн ечн ого вещ ества и сп ускаю т грави то н ы , части ц ы — п ерен о счи ки взаи м о дей стви я, а части ц ы вещ ества Зем ли и х п о глощ аю т 1. В тео ри и струн это т п ро ц есс п редставляется Н -о бразн ой ди аграм м о й , н ап ом и н аю щ ей со еди н ен и е труб (тео ри я струн воо бщ е чем -то н ап ом и н ает во до п ро во дн о е дело ). Д ве верти кальн ы е п ало чки б уквы «Н » соо тветствую т ч асти ц ам вещ ества С о лн ц а и Зем ли , а го ри зо н тальн ая п ереклади н а — грави тон у, ко то ры й п ерем ещ ается м еж ду н и м и (ри с. 35). Т ео ри я струн и м еет лю бо п ы тн ую и сто ри ю . П ервон ачальн о о н а бы ла сф о рм ули ро ван а в ко н ц е 1960 -х гг. в хо де п о и ско в тео ри и си льн о го взаи м о дей стви я. И дея со сто яла в то м , что таки е части ц ы , как п ро то н и н ей трон , м ож н о рассм атри вать как ко лебан и я струн ы . С и льн о е взаи м о дей стви е м еж ду части ц ам и 1
И н аобор от: части ц ы зем н ого вещ ества и сп ускаю т грави тон ы , п оглощ аем ы е С олн ц ем .
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
146
соо тветство вало бы о трезкам струн ы , со еди н яю щ и м др уги е струн ы , как в п аути н е. Ч то бы эта тео ри я п редсказы вала н аблю даем ую вели чи н у си льн ого в заи м о дей стви я м еж д у части ц ам и , струн ы до лж н ы бы ли п о хо ди ть н а рези н овы е ж гуты , н атян уты е с уси ли ем о ко ло десяти то н н . В 1974 г. Ж о эль Ш ерк и з П ари ж а и Д ж о н Ш варц и з К али ф о рн и й ского техн о логи ческого и н сти тута о п убли ко вали статью , в ко то ро й п о казали , что тео ри я струн м ож ет о п и сать п ри ро д у грави тац и о н н ого взаи м о дей стви я, н о то лько если н атяж ен и е стр ун ы со стави т о ко ло ты сячи м и лли он о в м и лли он о в м и лли о н о в м и лли о н о в м и лли о н о в м и лли о н ов то н н (еди н и ц а с три дц атью девятью н улям и ). В о бы чн ы х м асш табах дли н ы тео ри я струн давала те ж е п редсказан и я, что и о бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти , н о н а о чен ь м ален ьки х рассто ян и ях — м ен ьш е ты сячн ой м и лли о н н о й м и лли о н н о й м и лли он н о й м и лли о н н ой м и лли о н н о й до ли сан ти м етра (сан ти м етра, делен н о го н а еди н и ц у с три дц атью трем я н улям и ) — и х п редсказан и я расхо ди ли сь. С татье н е удели ли бо льш ого вн и м ан и я, н о п о то м у ли ш ь, что в то т п ери о д больш и н ство учен ы х о тказали сь о т и сто лко ван и я си льн о го взаи м о дей стви я в терм и н ах тео ри и струн в п о льзу тео ри и кварко в и глю о н о в, кото рая, казало сь, куд а бо лее со о тветство вала н аблю ден и ям . Ш ерк ум ер п ри траги чески х о бсто ятельствах (о н страдал ди абето м и вп ал в ко м у, ко гда во кр уг н е бы ло н и кого , кто м ог бы ввести ем у и н сули н ). Т ак что Ш варц о стался ф акти чески еди н ствен н ы м п о бо рн и ком тео ри и струн , п ри чем теп ерь уж е с тр ун с го раздо бо лее вы со ки м п редп о лагаем ы м н атяж ен и ем . В 1984 г. и н терес к стр ун ам вн езап н о возро ди лся, и то м у бы ло две п ри чи н ы . С о дн о й сто ро н ы , н е увен чали сь о со бы м усп ехо м п оп ы тки до казать, что суп ерграви тац и я н е со держ и т беско н ечн о стей и сп о со бн а о бъ я сн и ть сущ ество ван и е н аблю даем ы х н ам и ви дов элем ен тарн ы х части ц . С др уго й , уви дела свет н о вая статья Д ж о н а Ш варц а, н а сей раз н ап и сан н ая со вм естн о 147
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Р и с. 35. Д и агр ам м ы Ф ей н м ан а в теор и и стр ун . В теори и стр ун п р ои схож д ен и е дальн од ей ствую щ и х си л связы вается скорее с соеди н ен и ем тр уб, чем с обм ен ом части ц ам и — п ерен осчи кам и взаим одей стви й .
148
с М ай ко м Г ри н о м и з К о лледж а ко ро левы М ари и в Л о н до н е. Э та работа п о казы вала, что тео ри я струн сп о со бн а о бъ ясн и ть сущ ествован и е эксп ери м ен тальн о н аблю давш и хся части ц , ко то ры е о бладаю т сво его ро да вро ж ден н ой «лево руко стью ». (П о веден и е бо льш и н ства части ц н е и зм ен и ло сь бы , если бы эксп ери м ен тальн ую устан о вку зам ен и ли ее зеркальн ы м о траж ен и ем ; н о п о веден и е дан н ы х части ц м ен яется. К ак б удто он и являю тся левш ам и и ли п равш ам и , а н е владею т о ди н аково о беи м и рукам и .) К ак бы то н и бы ло, бо льш о е чи сло учен ы х вско ре н ачало рабо тать н ад тео ри ей струн , и бы ла создан а ее н овая верси я, ко то рая, казало сь, м огла о бъ ясн и ть сущ ество ван и е н аблю даем ы х н ам и части ц . Т ео ри и струн такж е вед ут к беско н ечн о стям , н о счи тается, что в п рави льн о й верси и тео ри и все о н и со кратятся (хо тя это ещ е н еи звестн о н аверн яка). Г о раздо серьезн ее др угая п ро блем а: тео ри и струн со вм ести м ы то лько с п ро стран ство м -врем ен ем , и м ею щ и м ли бо десять, ли бо двадц ать ш есть и зм ерен и й вм есто о бы чн ы х четы рех! К о н ечн о , н али чи е у п ро стран ства-врем ен и до п о лн и тельн ы х и зм ерен и й сделало сь С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
о бщ и м м есто м н аучн о й ф ан тасти ки . Д ей стви тельн о, он и даю т и деальн ы й сп о со б п рео до лен и я о гран и чен и й , ко то ры е о бщ ая тео ри я о тн о си тельн о сти н аклады вает н а свер хсвето вы е п ерем ещ ен и я и п утеш естви я в п ро ш ло е (см . гл. 10). И дея заклю чается в том , что бы до браться к ц ели ко ро тки м п утем через до п о лн и тельн ы е и зм ерен и я. Э то м ож н о п редстави ть себе след ую щ и м о бразо м . В оо брази те, что п ро стран ство, в ко то ро м м ы сущ ествуем , и м еет то лько два и зм ерен и я и и зо гн уто п о до бн о п о верхн о сти яко рн ого ко льц а и ли б убли ка 1. Е сли вы н ахо ди тесь н а вн утрен н ей сто ро н е п о верхн о сти и хо ти те до браться в ди ам етральн о п ро ти во п о лож н ую то чку ко льц а, вам п ри дется дви гаться к ц ели п о кр угу н а вн у1
Т акая п оверхн ость н азы вается тором .
149
трен н ей п оверхн о сти ко льц а. Н о если бы вы м о гли вы й ти в третье и зм ерен и е, вам уд ало сь бы п о ки н уть п о верхн о сть ко льц а и срезать п уть. П о чем у м ы н е н аблю даем все эти доп о лн и тельн ы е и зм ерен и я, если о н и дей стви тельн о сущ ествую т? П о чем у н аш ем у во сп ри яти ю до ступ н ы то лько три п ро стран ствен н ы х и зм ерен и я и о дн о и зм ерен и е врем ен и ? В ер о ятн ы й о твет со стои т в том , что други е и зм ерен и я н е п о хож и н а те, к кото ры м м ы п ри вы кли . О н и сверн уты до о чен ь н ебо льш о го разм ера, что -то вро де о дн о й м и лли о н н ой м и лли о н н ой м и лли о н н о й м и лли он н о й м и лли о н н ой до ли сан ти м етра (10 -30 см ). Э то так м ало, что п ро сто н езам етн о для н ас: м ы ф и кси р уем то лько о дн о и зм ерен и е врем ен и и три и зм ерен и я п ро стран ства, в ко то ры х п ро стран ство -врем я п ракти чески п ло ско е. Ч то бы п редстави ть себе, как это п о лучается, воо брази те п оверхн о сть соло м и н ки . П о см о трев н а н ее с бли зко го рассто ян и я, вы уви ди те, что п о верхн о сть двум ерн ая. Т о есть п о лож ен и е то чки н а со ло м и н ке о п и сы вается двум я чи слам и — рассто ян и ем , и зм ерен н ы м вдо ль со ло м и н ки , и рассто ян и ем , и зм ерен н ы м п о п ерек ее дли н ы , п о о круж н о сти . Н о п о п еречн ы й разм ер н ам н ого м ен ьш е п ро до льн ого . В о т п о чем у и здали со ло м и н ка вы гляди т ли ш ен н ой то лщ и н ы , о дн о м ерн о й и каж ется, что задать п о лож ен и е то чки н а н ей м ож н о о дн и м , п ро до льн ы м и зм ерен и ем . П ри верж ен ц ы тео ри и струн утверж даю т, что ан ало ги чн ы м о бразом о бстои т дело и с п ро стран ство м -врем ен ем : в н и чтож н о м алы х м асш табах о н о десяти м ерн о е и си льн о и скри влен н о е, н о в бо льш и х м асш табах н и и скри влен и я, н и до п о лн и тельн ы х и зм ерен и й н е н аблю дается. Е сл и оп и сан н ая карти н а верн а, это п ло хая н о во сть для лю дей , м ечтаю щ и х о ко см и чески х п утеш естви ях: до п о лн и тельн ы е и зм ерен и я, п о -ви ди м о м у, сли ш ко м м алы , что бы вм ести ть ко см и чески й ко рабль. О дн ако это о п и сан и е стави т бо льш о й во п ро с и п еред учен ы м и : п о чем у то лько н еко то ры е, а н е все и зм ерен и я 150
сверн уты в м ален ьки й ш ари к? П редп о лагается, что в м о ло до й В селен н о й все и зм ерен и я бы ли си льн о и скри влен ы . П о чем у о дн о врем ен н о е и три п ро стран ствен н ы х и зм ерен и я расп рям и ли сь, а други е о стаю тся тесн о сверн уты м и ? О ди н и з во зм о ж н ы х о твето в — ан тро п н ы й п ри н ц и п , ко то ры й м о ж н о сф о рм ули ро вать след ую щ и м о бразо м : м ы ви ди м В селен н ую тако й , какая о н а есть, п о то м у что м ы сущ ествуем . И м еется две верси и ан тро п н ого п ри н ц и п а — слабая и си льн ая. С лабы й ан тро п н ы й п ри н ц и п утверж дает, что во В селен н ой , ко то рая н евоо брази м о вели ка и ли даж е беско н ечн а в п ро стран стве и /и ли врем ен и , усло ви я, н ео бхо ди м ы е для разви ти я разум н о й ж и зн и , склады ваю тся то лько в н еко то ры х о бластях, о гран и чен н ы х в п ро стран стве и врем ен и . П о этом у разум н ы е сущ ества, н аселяю щ и е таки е о бласти , н е до лж н ы уди вляться том у, что и х м есто п ребы ван и е во В селен н о й удо влетво ряет тем усло ви ям , кото ры е н ео бхо ди м ы для ж и зн и . В како м -то см ы сле о н и п о до бн ы богачу, ж и вущ ем у в ф еш ен ебельн о м рай о н е и н е сталки ваю щ ем уся с н и щ етой . Н еко то ры е тео рети ки и д ут н ам н о го дальш е и п редлагаю т си льн ую верси ю п ри н ц и п а. С о гласн о это й п о следн ей сущ ествует и ли м н о го разли чн ы х вселен н ы х, и ли м н ого разли чн ы х о бластей о дн ой В селен н о й , каж дая и з ко то ры х о бладает со бствен н о й С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
н ачальн о й ко н ф и гурац и ей и , возм ож н о , со бств ен н ы м н або ром ф и зи чески х зако н о в. В бо льш и н стве таки х вселен н ы х ф и зи чески е усло ви я н е сп о со бствую т разви ти ю сло ж н ы х о рган и зм ов, и ли ш ь н ем н оги е вселен н ы е, п о до бн ы е н аш ей , стали ко лы белью разум н ы х сущ еств, задавш и хся воп ро со м : п о чем у В сел ен н ая тако ва, какой м ы ее ви ди м ? Т о гда о твет п ро ст: о каж и сь о н а друго й , н ас бы здесь н е бы ло !1 1
В р усскоязы чн ой ли тературе п о ф и лософ и и и косм ологи и п ри н ято н есколько и н аче п р овод и ть разгран и чен и е м еж д у слабы м и си льн ы м ан троп н ы м и п ри н ц и п ам и . С лабы й ан троп н ы й п ри н ц и п утверж дает, что м ы н аблю даем В селен н ую такой , как он а есть, п отом у что в и н ой вселен н ой н е м огли бы возн и кн уть разум н ы е сущ ества, а си льн ы й — что В селен н ая долж н а бы ть такой , чтобы в н ей м огли возн и кн уть разум н ы е сущ ества. П ри таком п одходе сразу ви дн о, что слаб ы й ан троп н ы й п ри н ц и п п ри н адлеж и т н ауке, а си льн ы й — рели ги и и ф и лософ и и . Т е ж е две и н терп ретац и и , которы е п ри водят авторы , п о сути , являю тся разн ы м и вари ан там и слабого ан троп н ого п ри н ц и п а. Т ак что в след ую щ ем абзац е он и , авторы , вп олн е закон ом ерн о п ри ходят к вы вод у, что м еж д у двум я верси ям и н ет п ри н ц и п и альн ой разн и ц ы . 151
Н ем н оги е во зьм утся о сп ари вать дей ствен н о сть и ли п о льзу слабо го ан троп н о го п ри н ц и п а, н о си льн ы й п ри н ц и п в качестве о бъ ясн ен и я н аблю даем о го со сто ян и я В селен н о й м о ж ет встрети ть м н о ж ество возр аж ен и й . Н ап ри м ер, како й см ы сл м о ж ет вклады ваться в утверж ден и е, что все эти разли чн ы е вселен н ы е сущ ествую т? Е сли о н и дей стви тельн о о бо со блен ы друг о т друга, тогда п ро и схо дящ ее в др уго й вселен н о й н е м ож ет п о влечь н и каки х п о следстви й , ко то ры е бы ли бы зам етн ы в н аш ей со бствен н о й В селен н о й . Зн ачи т, след уя п ри н ц и п у эко н о м и и , м ы до лж н ы и склю чи ть и х и з н аш ей тео ри и . Е сли ж е это ли ш ь разли чн ы е о бласти о дн о й В селен н о й , в каж дой и з н и х до лж н ы дей ство вать о дн и и те ж е ф и зи чески е зако н ы , п о то м у что и н аче н ельзя бы ло бы н еп реры вн о п ерем ещ аться и з о дн о й о бласти в др угую . В п о следн ем случае еди н ствен н о е разли чи е м еж ду о бластям и заклю чало сь бы в и х н ачальн ы х ко н ф и гурац и ях, так что си льн ы й ан тро п н ы й п ри н ц и п свелся бы к слабом у. А н тро п н ы й п ри н ц и п дает о ди н и з во зм о ж н ы х о твето в н а воп ро с, п о чем у до п о лн и тельн ы е и зм ерен и я тео ри и струн сверн уты . Д вух п ро стран ствен н ы х и зм ерен и й , п о хож е, н едо стато чн о для разви ти я таки х сло ж н ы х сущ еств, как м ы . Н ап ри м ер, двум ерн ы е ж и во тн ы е, о би таю щ и е н а о дн о м ерн о й Зем ле, до лж н ы бы ли бы п ереби раться д р уг через др уга, что бы разой ти сь. Е сли бы двум ерн о е сущ ество съ ело н ечто тако е, что н е см огло бы п о лн о стью п еревари вать, о н о до лж н о бы ло бы и звергн уть н еп ереварен н ы е о статки н аруж у тем ж е п утем , каки м п ро гло ти ло, п о то м у что н али чи е скво зн ого п ро хо да через тело дели ло бы тако е сущ ество н а две о тдельн ы е части : н аш е двум ерн о е сущ ество 152.
п ро сто развали ло сь бы . Т о чн о так ж е трудн о воо брази ть во зм ож н о сть кровоо бращ ен и я в двум ерн о м сущ естве. Н али чи е бо лее чем трех п ро стран ствен н ы х и зм ерен и й такж е со здало бы п ро блем ы (ри с. 36). В это м случ ае грави тац и о н н о е п ри тяж ен и е м еж д у двум я телам и ум ен ьш ало сь бы с и х удален и ем др уг о т др уга бы стрее, чем в случае трех и зм ерен и й . (В трех и зм ерен и ях п ри тяж ен и е о слабевает вчетверо п ри удво ен и и рассто ян и я. В четы рех и зм ерен и ях о н о ум ен ьш ало сь бы п ри это м в во сем ь раз, в п яти и зм ерен и ях — в ш естн адц ать и так далее.) Э то чревато тем , что о рби ты о бращ аю щ и хся во круг С о лн ц а п лан ет, таки х как Зем ля, стан ут н еусто й чи вы м и : м алей ш ее о ткло н ен и е о т круго во й о рби ты (н ап ри м ер, вы зван н о е грави тац и о н н ы м п ри тяж ен и ем други х п лан ет) п ри вело бы к том у, что Зем ля, дви гаясь п о сп и рали , стала бы удаляться о т С о лн ц а и ли п ри бли ж аться к н ем у. М ы бы и ли зам ерзли , и ли сго рели . В м и ре бо лее чем трех п ро стран ствен н ы х и зм ерен и й это ж е и зм ен ен и е п о веден и я си лы тяго тен и я с рассто ян и ем в дей стви тельн о сти н е п озво ли ло бы сам о м у С о лн ц у сущ ество вать в усто й чи вом со сто ян и и , ко гда давлен и е уравн о веш и вает си лу тяж ести . С о лн ц е ли бо рассеяло сь бы в п ро стран стве, ли бо ско ллап си ро вало, п реврати вш и сь в черн ую ды р у. В лю бо м сл учае о н о н е м огло бы сл уж и ть и сто чн и ком теп ла и света для ж и зн и н а Зем ле. В м асш табах ато м а электри чески е си лы , удерж и ваю щ и е электро н ы н а о рби тах во круг ядра, вели бы себя п о до бн о С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
грави тац и и . Т аки м о бразо м , электро н ы , п ерем ещ аясь п о сп и ралям , ли бо п о ки дали бы ато м , ли бо врезали сь бы в его ядро . Т ак и ли и н аче, сущ ество ван и е ато м о в в и звестн ом н ам ви де бы ло бы н ево зм о ж н о. И так, п редставляется о чеви дн ы м , что ж и зн ь — во всяко м случае, и звестн ая н ам — м ож ет сущ ество вать ли ш ь в тех о бластях п ро стран ства -врем ен и , где то лько о дн о и зм ерен и е врем ен и и три и зм ерен и я п ро стран ства н е сверн уты до н и чтож н о м алы х разм еров. Э то о зн ачает, что [для о бъ ясн ен и я н аблю даем о й разм ерн о сти п ро стран ства-врем ен и ] м о ж н о бы ло бы о брати ть153
ся к слабо м у ан тро п н ом у п ри н ц и п у, если бы уд ало сь до казать, что тео ри я струн , п о край н ей м ере, до п ускает сущ ество ван и е п о до бн ы х о бластей В селен н ой — а о н а, п о хо ж е, тако е доп ускает. В о зм ож н о , сущ ествую т др уги е о бласти В селен н о й и ли др уги е вселен н ы е (что бы это н и о зн ачало ), в ко то ры х все и зм ерен и я сверн уты и ли разверн уто бо льш е четы рех и зм ерен и й , Р и с. 36. В аж н ость сущ еств ов ан и я тр ех и зм ер ен и й . В п ростран стве, и м ею щ ем больш е трех и зм ерен и й , п лан етн ы е орби ты бы ли бы н естаби льн ы м и : п лан еты ли бо п адали бы н а С олн ц е, ли бо ускользали бы от его п р и тяж ен и я.
154
н о в таки х о бластях н е б удет разум н ы х сущ еств, ко то ры е см огли бы н аблю дать и н о е чи сло и зм ерен и й . Д р угая п ро блем а с тео ри ей струн со сто и т в то м , что есть п о м ен ьш ей м ере п ять разли чн ы х ее верси й (две тео ри и о ткры ты х стр ун и три — зам кн уты х) и м и лли он ы сп о со бов, кото ры м и м огут бы ть со гласн о теори и сверн уты до п о лн и тельн ы е и зм ерен и я. П о чем у н уж н о вы брать то лько о дн у тео ри ю стр ун и о ди н ви д сверты ван и я? К ако е -то врем я казало сь, что о твета н а это т во п ро с н ет, и н аука то п талась н а м есте. Н о во т, н ачи н ая п ри м ер н о с 1994 г., уч ен ы е стали вы являть свой ство, п о лучи вш ее н азван и е дуальн о сти : разли чн ы е тео ри и струн и сп о со бы сверты ван и я до п о лн и тельн ы х и зм ерен и й вели к о дн и м и тем ж е результатам в четы рех и зм ерен и ях. Б о лее того, п о м и м о части ц , ко то ры е С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
зан и м аю т отдельн ую то чку в п ро стран стве, и струн , ко то ры е являю тся ли н и ям и , бы ли н ай ден ы др уги е о бъ екты , н азван н ы е р-бран ам и и зан и м аю щ и е в п ро стран стве о бъ ем ы с двум я и бо лее и зм ерен и ям и . (М о ж н о счи тать, что части ц а есть 0 -бран а, струн а — 1-бран а, н о кро м е н и х есть ещ е р -бран ы , где р м о ж ет п ри н и м ать зн ачен и я о т 2 до 9. 2 -бран у м о ж н о рассм атри вать как н еко е п о до би е двум ерн о й м ем бран ы . Т рудн ее п редстави ть себе бран ы с бо льш и м чи сло м и зм ерен и й !) П о хо ж е, сей час и м еет м есто н еко е сво ео бразн о е равн оп рави е (в см ы сле равен ства го л о со в) тео ри й суп ерграви тац и и , струн р-бран : о н и , каж ется, со гласую тся др уг с др уго м , н о н и о дн у и з н и х н ельзя счи тать о сн о вн о й . В се он и вы глядят как разли чн ы е п ри бли ж ен и я к н екой бо лее ф ун дам ен тальн о й тео ри и , п ри чем каж дая и з н и х верн а в сво ей о бласти . У чен ы е и щ ут эту ф ун д ам ен тальн ую тео ри ю , н о п о ка безусп еш н о . Н е и склю чен о, что м ож ет н е бы ть еди н ой ф о рм ули ро вки ф ун дам ен тальн о й тео ри и , как н ельзя, п о Г ѐделю , и зло ж и ть ари ф м ети ку в терм и н ах еди н ствен н ого н або ра акси ом . Э та си туац и я н ап о м и н ает п ро блем ы , во зн и каю щ и е в карто граф и и : вы н е см ож ете о бой ти сь о дн о й п ло ско й карто й , что бы п ередать сф ери ческую п о верхн о сть Зем ли и ли п о верхн о сть яко рн ого ко льц а (то 155
ра). В ам п о н адо бятся как м и н и м ум два ли ста карты для Зем ли и четы ре для то ра, что бы ко рректн о о то брази ть все то чки 1. К аж дая карта сп раведли ва для о гран и чен н о й о бласти , н о разли чн ы е участки карт и м ею т о бласти п ерекры ти я. К оллекц и я карт о бесп ечи вает п о лн о е о п и сан и е п о верхн о сти . В о зм ож н о, что и в ф и зи ке н ео бхо ди м о и сп о льзо вать разн ы е ф о рм ули ро вки тео ри и в разли чн ы х си туац и ях, н о две разн ы е ф о рм ули ро вки до лж н ы со гласо ваться друг с др уго м в си туац и ях, где он и о бе п ри м ен и м ы . Е сли это дей стви тельн о так, то все со бран и е разли чн ы х ф о рм ули рово к м огло бы расц ен и ваться как п о лн ая о бъ еди н ен н ая тео ри я, п усть и н е вы раж ен н ая в ф о рм е о дн о го н або ра п о стул ато в. Н о и это м ож ет бы ть бо льш е того , что до п ускает п ри ро да. Ч то, если со здан и е о бъ еди н ен н о й тео ри и в п ри н ц и п е н ево зм о ж н о ? Н е гон и м ся ли м ы за м и раж о м ? К аж ется, есть три во зм о ж н о сти . 1. С оздание полной объ единенной т еории (и ли собрания взаим но перекры ваю щ ихся ф орм улировок) возм ож но, и когда -нибудь м ы ее сф орм улируем , если хват ит ум а. 2. Н е сущ ест вует никакой окончат ельной т еории В селенной — т олько бесконечная последоват ельност ь т еорий, кот оры е описы ваю т В селенную все более т очно, но никогда не дост игаю т абсолю т ной т очност и. 1
К он ечн о, н а одн ом ли сте м ож н о и зобрази ть карту всей п оверхн ости Зем ли . О дн ако точки , н аходящ и еся н а краю такой карты , буд ут и зображ ен ы н екорректн о: часть и х окрестн остей окаж ется «за краем », н а друго й сторон е ли ста. И сп рави ть это м ож н о, п род олж и в карту н ем н ого «за край » (картограф ы так часто и п оступ аю т), н о с м атем ати ческой точки зрен и я это б уд ет н екорректн о, п оскольку н екоторы е точ ки б уд ут и зображ ен ы н а одной карте дваж ды . Э та п роблем а реш ается создан и ем атласа. К арты атласа п ерекры ваю тся, и п отом у каж дая точка Зем ли хотя бы н а од н ой карте и зображ ается вм есте с окрестн остям и . И в то ж е врем я в атласе н ет н и од н ой точ ки , которая п оп ала бы н а одн у и ту ж е карту дваж ды . Ч и сло карт м ож ет бы ть разли чн ы м , одн ако м атем ати ческая теори я гладки х м н огообрази й д оказы вает, что атлас сф ери ческой п оверхн ости Зем ли долж ен сод ерж ать как м и н и м ум две карты , а атлас п оверхн ости тора — четы ре. 156
3. Н е сущ ест вует вообщ е никакой т еории В селенной: вне определенны х рам ок собы т и я невозм ож но предсказат ь, они происходят случайны м и произвольны м образом . Н еко то ры е скло н яю тся в п о льзу третьей возм о ж н о сти н а том о сн ован и и , что сущ ество ван и е и счерп ы ваю щ его н або ра зако н о в ли ш и ло бы Б о га сво бо ды м ен ять С во й зам ы сел и вм еш и ваться в хо д м и ро здан и я. Т ем н е м ен ее разве Г о сп о дь, б уд уч и всеси льн ы м , н е м ог бы огран и чи ть С во ю сво бо д у, если бы захо тел? Э то п ри во ди т н а п ам ять древн и й п арадо кс: сп о со бен ли Б о г со здать тако й тяж елы й кам ен ь, что сам н е см ож ет его п о дн ять? Ф акти чески и дея о том , что Б о г захо тел бы п еред ум ать, есть п ри м ер забл уж ден и я, н а ко то ро е указы вал ещ е Б лаж ен н ы й А вгусти н , когда Б ога п редставляю т сущ ествую щ и м во врем ен и , то гда как врем я — это ли ш ь сво й ство В селен н о й , И м со здан н о й . М о ж н о п редп о лож и ть, что О н о тдавал себе о тчет в С вои х н ам ерен и ях п ри со тво рен и и м и ра! С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
С п о явлен и ем кван тово й м ехан и ки м ы п ри ш ли к о со зн ан и ю то го, что со бы ти я н е м огут бы ть п редсказан ы с абсо лю тн о й то чн о стью — всегда о стается элем ен т н ео п ределен н о сти . Е сли хо чется, м о ж н о п ри п и сать случай н о сть вм еш ательству Б ога. Н о это бы ло бы о чен ь стран н о е вм еш ательство : н ет н и каки х п ри зн ако в то го, что о н о п реслед ует какую -ли бо ц ель. В п ро ти вн ом случае это п о о п ределен и ю н е бы ло бы случай н о стью . С его дн я м ы ф акти чески устран и ли третью и з п еречи слен н ы х во зм ож н о стей , п ересм отр ев ц ели н ауки : м ы стрем и м ся к то м у, что бы сф о рм ули ро вать н або р зако н ов, ко то ры й п озво ли т п редсказы вать со бы ти я в п ределах, устан о влен н ы х п ри н ц и п о м н ео п ределен н о сти . В то рая возм ож н о сть, то есть сущ ество ван и е беско н ечн о й п о следо вательн о сти все бо лее и бо лее со верш ен н ы х тео ри й , п о ка со гласуется со всем н аш и м оп ы том . В о м н о ги х сл учаях эксп ери м ен тато ры п о вы ш али то чн о сть и зм ерен и й и ли вы п о лн яли н аблю де 157
н и я н о вого ти п а то лько для то го, что бы о бн аруж и ть н е п редсказан н ы е сущ ествую щ ей тео ри ей н о вы е явлен и я, для и сто лкован и я ко торы х со здавалась бо лее со верш ен н ая тео ри я. И зучая элем ен тарн ы е части ц ы , взаи м о дей ствую щ и е со все бо лее и бо лее вы со ки м и эн ерги ям и , м ы м о ж ем о ж и дать о ткры ти я н овы х уро вн ей стро ен и я м атери и , бо лее ф ун дам ен тальн ы х, чем кварки и электрон ы , ко то ры е н ы н е счи таю тся «элем ен тарн ы м и » части ц ам и . Г рави тац и я м ож ет п о лож и ть п редел это й череде уп рятан н ы х др уг в др уга «ко ро бо чек». Е сли бы сущ ество вала части ц а с эн ерги ей , п ревы ш аю щ ей так н азы ваем ую эн ерги ю П лан ка, кон ц ен трац и я ее м ассы бы ла бы сто ль вы со ка, что о н а о тсекла бы себя о т о стальн ой В селен н о й и п реврати лась бы в н ебо льш ую черн ую ды р у. Т аки м о бразом , п о следовательн о сть все бо лее со верш ен н ы х тео ри й , п о хож е, до лж н а и м еть н еки й п редел п ри п ерехо де ко все бо лее вы со ки м эн ерги ям , а зн ачи т, до лж н а бы ть до сти ж и м а н екая о ко н чательн ая тео ри я В селен н о й . Н о все ж е п лан ко вская эн ерги я о чен ь далека о т эн ерги й , ко то ры е м ы сп о со бн ы п о лучи ть н а соврем ен н ы х лабо рато рн ы х устан о вках. И м ы н е см ож ем п рео до леть это т разры в с п о м ощ ью уско ри телей элем ен тарн ы х части ц , кото р ы е п о явятся в о бо зри м о м буд ущ ем . А ведь и м ен н о таки е эн ерги и до лж н ы бы ли и м еть м есто н а сам ы х ран н и х стади ях эво лю ц и и В селен н о й . Е сть н еп ло хи е ш ан сы , что и зучен и е ран н ей В селен н о й и требо ван и я м атем ати ческо й со гласо ван н о сти п ри вед ут к п о лн ой о бъ еди н ен н о й тео ри и в п ределах сро ка ж и зн и н еко то ры х и з н ас, если м ы , ко н ечн о , н е взо рвем себя до тех п о р! К ако е зн ачен и е и м ело бы о ткры ти е о кон чательн о й тео ри и В селен н о й ? К ак о бъ ясн яло сь в гл. 3, м ы н и ко гда н е м ож ем бы ть вп о лн е уверен ы , что дей стви тельн о со здали п рави л ьн ую тео ри ю , п о ско льку тео ри и н ельзя до казать. Н о , если бы тео ри я бы ла м атем ати чески п о следовательн о й и всегда давала бы п редсказан и я, согласую щ и еся с н аблю ден и ям и , бы ло бы разум н о счи тать, что 158
о н а верн а. Э то п о стави ло бы то чку в дли н н о й и вели ко леп н о й главе и сто ри и бо рен и й чело веческого разум а за п о зн ан и е В селен н ой . Н о это такж е рево лю ц и о н н ы м о бразо м п ереверн уло бы п о н и м ан и е о бы чн ы м человеком зако н о в, ко то ры е уп равляю т В селен н о й . В о врем ен а Н ью то н а о бразо ван н ы й чело век м о г о владеть всем зн ан и ем , н акоп л ен н ы м ц и ви ли зац и ей , п о край н ей м ере в о бщ и х чертах. Н о с тех п о р тем п ы разви ти я н ауки сделали это н ево зм ож н ы м . П о ско льку тео ри и п о сто ян н о п ересм атри ваю тся с учето м н овы х н аблю ден и й , о н и н и когда н е и злагаю тся до стато чн о сж ато и п ро сто , что бы и х м огли п о сти чь о бы чн ы е лю ди . Д ля это го н уж н о бы ть сп ец и али стом , н о даж е то гда вы вп раве н адеяться н а п о лн о е п он и м ан и е ли ш ь м алой до ли н аучн ы х тео ри й . К ро м е того , п рогресс н ауки н асто лько стрем и телен , что в ш ко ле и ли ун и верси тете всегда п реп о даю тся н еско лько устаревш и е зн ан и я. Л и ш ь н ем н о ги м лю дям удается следи ть за бы стро раздви гаю щ и м и ся гран и ц ам и зн ан и я, если о н и п о свящ аю т это м у все сво е врем я и со средо то чи ваю тся н а м ален ько й о бласти . О стальн ая часть н аселен и я и м еет слабо е п редставлен и е о соверш аем ы х п ро ры вах и о том во лн ен и и , ко то ро е о н и п рои зво дят в ум ах С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
учен ы х. С др уго й сто ро н ы , если вери ть Э дди н гто н у, сем ьдесят лет н азад то лько два чело века п он и м али о бщ ую тео ри ю о тн о си тельн о сти . В н асто ящ ее врем я ее п он и м аю т десятки ты сяч ун и версан тов и м н оги е м и лли он ы лю дей , п о край н ей м ере, зн ако м ы с ее и деям и . Е сли бы удало сь со здать п о лн ую о бъ еди н ен н ую тео ри ю , то п о явлен и е сж ато го и п ро стого ее и злож ен и я о казало сь бы ли ш ь во п ро сом врем ен и , и , п о до бн о тео ри и о тн о си тельн о сти , ее стали бы п реп о давать в ш ко лах, п о край н ей м ере в о бщ и х чертах. М ы все см огли бы тогда п о лучи ть н еко то ро е п редставлен и е о зако н ах, ко то ры е уп равляю т В селен н о й и о тветствен н ы за н аш е сущ ествован и е. Н о даж е о ткры ти е п о лн о й о бъ еди н ен н о й тео ри и н е о зн ачало бы во зм ож н о сти п редсказы вать все со бы ти я п о двум п ри чи 159
н ам . П ервая п ри чи н а — огран и чен и е, кото ро е н аклады вает н а н аш у п редсказательн ую сп о со бн о сть кван тово -м ехан и чески й п ри н ц и п н ео п ределен н о сти . Н ет н и каки х сп о со бо в его о бо й ти . Н а п ракти ке, о дн ако, это п ервое о гран и чен и е м ен ее ж естко , чем вто ро е. В то ро е вы текает и з того ф акта, что м ы , вероятн ее всего , н е см о ж ем реш и ть уравн ен и я тако й тео ри и , за и склю чен и ем тех, что о п и сы ваю т о чен ь п ро сты е си туац и и . К ак уж е гово ри ло сь, н и кто н е м о ж ет то чн о реш и ть кван то вы е уравн ен и я для ато м а, в ко то ро м во круг ядра о бращ ается бо лее о дн о го электро н а. М ы даж е н е расп олагаем то чн ы м реш ен и ем задачи о дви ж ен и и трех тел в тако й п ро стой тео ри и , как зако н всем и рн о го тяго тен и я Н ью то н а, и трудн о стей стан о ви тся тем бо льш е, чем бо льш е чи сло тел и чем сло ж н ее тео ри я. П ри бли ж ен н ы е реш ен и я о б ы чн о удо влетво ряю т н аш и п ракти чески е н уж ды , н о он и вряд ли соо тветствую т тем бо льш и м ож и дан и ям , что связан ы с п о н яти ем «о бъ еди н ен н ая тео ри я всего сущ его »! С его дн я м ы уж е зн аем зако н ы , уп равляю щ и е п оведен и ем м атери и во всех со сто ян и ях, кро м е сам ы х экстрем ал ьн ы х. В частн о сти , м ы зн аем зако н ы , ко то ры е со ставляю т ф ун дам ен т хи м и и и би о ло ги и . Н о м ы , безусло вн о , н е м ож ем счи тать задачи эти х ди сц и п ли н реш ен н ы м и . И п о ка ещ е м ы н е сли ш ком п реусп ели в п редсказан и и чело веческого п о веден и я с п ом о щ ью м атем ати чески х ур авн ен и й ! И так, даж е о ты скав н або р о сн о вн ы х зако н о в, м ы о каж ем ся п еред бро саю щ ей вы зо в чело веческом у и н теллекту задачей со верш ен ство ван и я п ри бли ж ен н ы х м ето до в, н е реш и в ко то рую м ы н е н аучи м ся п редсказы вать веро ятн ы е п о следстви я в сло ж н ы х реальн ы х си туац и ях. П о лн ая со гласо ван н ая о бъ еди н ен н ая тео ри я — это ли ш ь п ервы й ш аг. Н аш а ц ель со сто и т в п о лн ом объ яснении п рои схо дящ и х во кр уг н ас со бы ти й и н аш его со бствен н ого сущ ество ван и я.
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• Гл ава дв ен адц атая • ЗА К Л Ю Ч Е Н И Е М ы п он и м аем , что ж и вем в загадо чн о м , ош ело м ляю щ ем м и ре. М ы стрем и м ся п о сти чь см ы сл того , что ви ди м во кр уг себя, и задаем ся во п ро сам и : како ва п ри ро да В селен н ой , како во н аш е м есто в н ей , о ткуда п о яви лась о н а и м ы , п о чем у о н а такая, как есть? П ы таясь о твети ть н а во п ро сы , м ы п ри н и м аем ту и ли и н ую «карти н у м и ра ». И беско н ечн ая баш н я и з череп ах, п о ддерж и ваю щ и х п ло скую Зем лю , такая ж е карти н а, как и тео ри я суп ерстр ун (ри с. 37). И то и друго е есть тео ри и стро ен и я В селен н о й , хо тя п о следн яя го раздо бо лее м атем ати зи рован а и то чн а, чем п ервая. И м о беи м н едо стает н агляд н ы х п о дтверж ден и й : н и кто н и ко гда н е ви дел ги ган тско й череп ахи , н а сп и н е ко то ро й п о ко и тся Зем ля, н о н и кто н е ви дел и суп ерстр ун . О дн ако череп аш ью тео ри ю н е н азовеш ь до бро тн ой н аучн о й кон ц еп ц и ей , п о то м у что о н а п редсказы вает, что лю ди м о гут свали ться с края света. Э то т п рогн о з н е согласуется с о п ы том , если то лько н е о каж ется, что о н о бъ ясн яет п редп о лагаем ы е и счезн о вен и я лю дей в Б ерм удско м треуго льн и ке! 161
Р и с. 37. О т баш н и и з ч ер еп ах к и ск р и в л ен н ом у п р остр ан ств у. Д р ев н я я и сов р ем ен н ая «к ар ти н ы м и р а».
С ам ы е ран н и е п о п ы тки тео рети ческо го о п и сан и я и о бъ ясн ен и я В селен н ой вклю чали и дею о том , что хо д со бы ти й и п ри ро дн ы х явлен и й н ап равляю т духи , н аделен н ы е чело вечески м и эм оц и ям и и дей ствую щ и е п о -чело вечески н еп редсказуем о . Э ти д ухи н аселяли п ри ро дн ы е о бъ екты , так и е как реки и го ры , а такж е н ебесн ы е тела вро де С о лн ц а и Л ун ы . И х н уж н о бы ло ум и ро тво рять и убл аж ать, что бы п о чва п ло до н о си ла, а врем ен а го да см ен яли друг др уга. С о врем ен ем , о дн ако, бы ло зам ечен о сущ ество ван и е о п ределен н ы х зако н о м ерн о стей : С о лн ц е всегда в ставало н а во сто ке и сади ло сь н а зап аде н езави си м о о т то го, бы ли п ри н есен ы ж ертвы бо гу дн евн о го свети ла и ли н ет. Б о лее того , С о лн ц е, Л ун а и п лан еты дви гали сь п о н еб у строго оп ределен н ы м и п утям и , ко то ры е уд авало сь до во льн о то чн о п редсказать. С о лн ц е и Л ун а в се ещ е м огли счи таться богам и , н о эти боги п о ви н о вали сь стро ги м закон ам , о чеви дн о н и ко гда н е п о зво ляя себе о тступ лен и й , если н е п ри н и м ать в расчет таки х и сто ри й , как п редан и е о б И и сусе Н ави н е, о стан о ви вш ем С о лн ц е. 162
С н ачала эти п рави ла и зако н о м ерн о сти о тм ечали сь то лько п ри н аблю ден и ях за звездн ы м н ебо м и в н ем н о ги х др уги х си туац и ях. О дн ако п о м ере разви ти я ц и ви ли зац и и , о со бен н о в п о следн и е три ста лет, стало о бн ар уж и ваться все бо льш е и бо льш е таки х зако н о в и п рави л. У сп ехи , до сти гн уты е благо даря эти м зако н ам , п о буди ли Л ап ласа в н ачале девятн адц ато го сто лети я п о стули ро вать н аучн ы й детерм и н и зм . О н п редп о лож и л, что до лж ен сущ ество вать н або р зако н о в, то чн о оп ределяю щ и х разви ти е В селен н о й и схо дя С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
и з ее со сто ян и я в н еки й о ди н о п ределен н ы й м ом ен т врем ен и . Л ап ласо вски й детерм и н и зм бы л н еп о ло н в двух о тн ош ен и ях. О н н и чего н е го во ри л о том , каки м и до лж н ы бы ть зако н ы , и н е о п ределял н ачальн ую ко н ф и гурац и ю В селен н о й . Э то т вы бо р бы л о ставлен за Б о го м . Б ог реш ал, каки м бы ть н ачалу В селен н о й и каки м зако н ам ей н адлеж и т п о ви н о ваться, н о п осле ее заро ж ден и я О н н е до лж ен бы л вм еш и ваться. Ф акти чески п реро гати вы Б ога о гран и чи вали тем и во п ро сам и , ко то ры е н е п о н и м ала н аука девятн адц ато го сто лети я. С его дн я м ы зн аем , что н адеж ды , кото ры е Л ап лас во злагал н а детерм и н и зм , н е о п равдали сь, п о край н ей м ере так, как ем у ви дело сь. П ри н ц и п н еоп ределен н о сти кван тово й м ехан и ки п о дразум евает, что н еко то ры е п ары ф и зи чески х вели чи н , н ап ри м ер п о лож ен и е и ско ро сть элем ен тарн о й части ц ы , н ельзя о дн оврем ен н о п редсказать ско ль уго дн о то чн о. К ван товая м ехан и ка сп равляется с это й си туац и ей благо даря сем ей ству тео ри й , в ко то ры х элем ен тарн ы е части ц ы н е и м ею т то чн ы х п о лож ен и й и ско ро стей , а п редставляю тся во лн ам и . Э ти кван товы е тео ри и являю тся детерм и н и стски м и в том см ы сле, что оп ределяю т то чн ы е зако н ы эволю ц и и во лн ы во врем ен и . Е сли и звестн ы характери сти ки во лн ы в о ди н м о м ен т врем ен и , то м ож н о вы чи сли ть, каки м и о н и б уд ут в лю бо й друго й м о м ен т. Э лем ен т н еп редсказуем о сти , случ ай н о сти во зн и кн ет, то лько если м ы п о п ро б уем и н терп рети ро вать во лн у в терм и н ах п о ло ж ен и й и ско ро стей ча163
сти ц . Н о, во зм ож н о, это ош и бка: во зм о ж н о, н ет н и каки х части ц с п о ло ж ен и ям и и ско ро стям и , а есть то лько во лн ы . И м ы п ро сто п ы таем ся п о до гн ать эти во лн ы п о д н аш и п редвзяты е п редставлен и я о п о лож ен и ях и скоро стях. П о лучаем о е в и то ге н есо о тветстви е — п ри чи н а каж ущ ей ся н еп редсказуем о сти . В сущ н о сти , м ы уж е п ересм о трели задач у н ауки : это о ткры ти е зако н ов, ко то ры е п озво лят н ам п редсказы вать со бы ти я в гран и ц ах, устан о влен н ы х п ри н ц и п о м н ео п ределен н о сти . О дн ако о стается во п ро с: как и ли п о чем у бы ли вы бран ы эти закон ы и н ачальн о е со сто ян и е В селен н о й ? В это й кн и ге о со бо е вн и м ан и е уд еляло сь зако н ам , ко то ры е уп равляю т грави тац и ей , п о том у что и м ен н о о н а п редо п ределяет круп н о м асш табн ую стр уктур у В сел ен н о й , хо тя и является сам о й слабо й и з четы рех о сн о вн ы х си л. Зако н ы грави тац и и н есовм ести м ы с тем го сп о дствовавш и м до н едавн его врем ен и взглядо м , что В селен н ая н еи зм ен н а во врем ен и : то, что грави тац и я всегда п ри тяги вает, озн ачает, что В селен н ая до лж н а ли бо расш и ряться, ли бо сж и м аться. С о гласн о о бщ ей тео ри и отн о си тельн о сти в далеко м п рош ло м до лж н о бы ло сущ ество вать со сто ян и е В селен н ой с беско н ечн о й п ло тн о стью — Б о льш о й В зры в, ко то ры й м о ж н о счи тать н ачало м врем ен и . Е сли В селен н ая сн ова сож м ется, то в буд ущ ем ее до лж н о о ж и дать друго е со сто ян и е беско н ечн о й п ло тн о с ти , «бо льш о е схло п ы ван и е», ко то ро е стан ет ко н ц ом врем ен и . Д аж е если В селен н ая в ц ело м н е со ж м ется, си н гулярн о сти до лж н ы во зн и кн уть в о гран и чен н ы х ее о бластях, где ко ллап с п ри ведет к о бразо ван и ю черн ы х ды р. Э ти си н гулярн о сти стали бы ко н ц о м врем ен и для всяк о го, кто уп ал в черн ую ды р у. П ри Б о льш ом В зры ве и в други х си н гулярн о стях н ар уш аю тся все ф и зи чески е зако н ы и Б ог п о -п реж н ем у п о лн о стью во лен реш ать, что до лж н о п ро и зо й ти и как до лж н а н ачаться В селен н ая. О бъ еди н ен и е кван тово й м ехан и ки с о бщ ей тео ри ей о тн о си тельн о сти , п о хож е, о ткры вает н ам н овую , н еи звестн ую 164
п реж де во зм ож н о сть: ко н ечн о е четы рехм ерн о е п ро стран ство -врем я без си н гулярн о стей и ли гран и ц , п о до бн о е п оверхн о сти Зем ли , н о о бладаю щ ее б о льш и м чи сло м и зм ерен и й . П о хо ж е, эта и дея п о зво ляет о бъ ясн и ть м н оги е и з н аблю даем ы х свой ств В селен н о й , н ап ри м ер ее круп н о м асш табн ую о дн о ро дн о сть и о ткло н ен и я о т о дн о ро дн о сти в м ен ьш ем м асш табе, п о до бн ы е галакти кам , звездам и даж е лю дям . Н о, если В селен н ая п о лн о стью автон о м н а, н е и м еет си н гулярн о стей и ли гран и ц и вся м о ж ет бы ть о п и сан а о бъ еди н ен н о й тео ри ей , это заставляет ко рен н ы м о бразом п ересм о треть ро ль Б ога как Т во рц а. С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Э й н ш тей н о дн аж ды сп ро си л: «О бладал ли свобо до й Б о г, когда со здавал В селен н ую ?» Е сли верн о п редп о лож ен и е о б о тсутстви и у В селен н о й гран и ц , то Б ог н е ра сп о лагал сво бо дой вы бо ра н ачальн ы х усло ви й . К о н ечн о, О н все ещ е бы л бы во лен вы би рать зако н ы , кото ры м п о дчи н яется В селен н ая. Н о и это в дей стви тельн о сти н е н азовеш ь бо льш и м вы бо ро м : во зм ож н о , ли ш ь о дн а — и ли н ебо льш о е чи сло — п о лн ы х о бъ еди н ен н ы х тео ри й , ти п а тео ри и струн , являю тся н еп ро ти во речи вы м и и до п ускаю т сущ ество ван и е сто ль сло ж н ы х стр уктур, как лю ди , сп о со бн ы е и сследо вать зако н ы В селен н о й и задавать во п ро сы о п ри ро де Б ога. Н о даж е если сущ ествует то лько о дн а п о лн ая о бъ еди н ен н ая тео ри я, о н а есть н е бо лее чем н або р п рави л и уравн ен и й . Ч то ж е вды хает ого н ь в ф о рм улы и создает В селен н ую , ко то рую о н и о п и сы ваю т? О бы чн ы й п о дхо д н ауки — п о стро ен и е м атем ати ческо й м о дели — н е п о зво ляет о твети ть н а во п ро с о то м , п о чем у до лж н а сущ ество вать В селен н ая, о п и сы ваем ая м о делью . Зачем В селен н ая го това влачи ть брем я сущ ество ван и я? Н еуж ел и о бъ еди н ен н ая тео ри я сто ль н еотрази м а, что вы зы вает к ж и зн и сам о е себя? И ли о н а н уж дается в С о здателе, а если так, и м еет ли О н и н ую власть н ад В селен н о й ? И кто со здал Е го сам ого ? Д о си х п о р бо льш и н ство учен ы х бы ли сли ш ком зан яты со здан и ем н о вы х тео ри й , о п и сы ваю щ и х, чт о есть В селен н ая, что 165
бы задаваться во п ро со м зачем . С др уго й сто ро н ы , лю ди , чье дело сп раш и вать зачем , ф и ло со ф ы , н е м о гли угн аться за п ро грессо м естествен н о н аучн ы х до ктри н . В во сем н адц атом сто лети и ф и ло со ф ы счи тали все чело веческо е зн ан и е, вклю чая естествен н ы е н ауки , о бластью п ри лож ен и я свои х си л и о бсуж дали таки е воп ро сы , как бы ло ли у В селен н о й н ачало . О дн ако в девятн адц ато м и двадц атом веках естествен н ы е н ауки сли ш ком тесн о п ереп лели сь с техн и ко й и м атем ати ко й , что бы о ставаться до ступ н ы м и п о н и м ан и ю ф и ло со ф ов и ли кого -ли бо ещ е, кром е н ем н оги х сп ец и али сто в. Ф и ло со ф ы со крати ли сф ер у сво и х п ри тязан и й н асто лько , что В и тген ш тей н , н аи бо лее и звестн ы й м ы сли тель двадц ато го сто лети я, сказал: «Е ди н ствен н ая задача, о ставш аяся ф и ло со ф и и , это ан али з язы ка». К ако й уп адо к п о сле вели ко й тради ц и и ф и ло со ф и и от А ри сто теля до К ан та! О дн ако , если м ы все-таки создади м п олн ую тео ри ю , со врем ен ем ее о сн овн ы е п ри н ц и п ы до лж н ы стать п о н ятн ы каж до м у, а н е то лько н еско льки м уч ен ы м . Т о гда м ы все — ф и ло со ф ы , учен ы е и о бы чн ы е лю ди — см ож ем о бсуж дать во п ро с, п о чем у сущ ествуем м ы сам и и н аш а В селен н ая. Е сли м ы н ай дем о твет, это буд ет о ко н чательн ы м три ум ф о м чело веческого разум а, и бо то гда н ам о ткро ется Б о ж еств ен н ы й зам ы сел.
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• А л ьбер т Э й н ш тей н • С вязь Э й н ш тей н а с п о ли ти кой ядерн о го воо руж ен и я о бщ еи звестн а: он п о дп и сал зн ам ен и то е п и сьм о п рези ден ту Ф ран кли н у Р узвельту, убеж д ая, что С о еди н ен н ы е Ш таты до лж н ы серьезн о о тн ести сь к и дее ато м н о й бом бы , и о н ж е в п о слев о ен н ы е го ды п ри лагал все уси ли я для п редотвращ ен и я ядерн о й вой н ы . Н о это бы ли н е п ро сто о тдельн ы е п о ступ ки учен о го , втян уто го в м и р п о ли ти ки . Ж и зн ь Э й н ш тей н а, го во ря его со бствен н ы м и словам и , «дели лась м еж ду п о ли ти ко й и ур авн ен и ям и ». Н ачало п о ли ти ческо й деятельн о сти Э й н ш тей н а со вп ало с П ерво й м и ро во й во й н о й , ко гда он бы л п ро ф ессо ро м в Б ерли н е. П и тая о твращ ен и е к том у, что счи тал п усто й растрато й человечески х ж и зн ей , о н стал уч аствовать в ан ти во ен н ы х дем о н страц и ях. Е го вы ступ лен и я в защ и ту акц и й граж дан ско го н еп о ви н о вен и я и п убли чн ая п о ддерж ка тех, кто о тказы вался н ести во и н скую п ови н н о сть, н е сн и скали ем у си м п ати й ко ллег. П о сле вой н ы о н п ри лож и л н ем ало си л для п ри м и рен и я н ац и й и ул учш ен и я м еж д ун аро дн ы х о тн ош ен и й . Э то такж е н е до бави ло Э й н ш тей н у п о п улярн о сти , и ско ро п о ли ти чески е взгляды затрудн и ли ем у въ езд в С о еди н ен н ы е Ш таты , даж е для чтен и я лекц и й . 167
В то ры м п о зн ачи м о сти м оти вом бы л для Э й н ш тей н а си о н и зм . Е врей п о п рои схо ж ден и ю , Э й н ш тей н о твергал би блей скую и д ею Б о га. О дн ако ро ст ан ти сем и ти зм а, как п еред П ерво й м и ро во й во й н ой , так и в хо де ее, п о степ ен н о п ри вел Э й н ш тей н а к со ли дарн о сти с еврей ски м соо бщ ество м , а п озж е о н стал о ткры ты м сто ро н н и ко м си о н и зм а. И сн о ва н еп о п улярн о сть н е п ом еш ала ем у о ткры то вы сказы вать сво и м ы сли . Е го тео ри и о казали сь п редм ето м н ап адо к; бы ла даж е со здан а ан ти эй н ш тей н овская о рган и зац и я. О ди н чело век бы л о суж д ен за п одстрекательство к уби й ству Э й н ш тей н а (и ош траф о ван всего н а ш есть до лларо в). Н о Э й н ш тей н о ставался н евозм ути м . П о сле вы хо да в свет кн и ги «С то авто ро в п роти в Э й н ш тей н а» о н зам ети л: «Б удь я н е п рав, хвати ло бы и о дн о го !» В 1933 г. к власти п ри ш ел Г и тлер. Э й н ш тей н , н ахо ди вш и й ся в А м ери ке, о бъ яви л, что н е верн ется в Г ерм ан и ю . К огда н ац и сты устро и ли н алет н а дом учен о го и кон ф и ско вали его бан ко вски й счет, берли н ская газета вы ш ла с заго ловко м : «Х о рош и е н ово сти от Э й н ш тей н а — о н н е верн ется». П еред ли ц ом н ац и стско й угро зы Э й н ш тей н о тказался о т п ац и ф и зм а и , о п асаясь, что н ем ец ки е учен ы е со здад ут ядерн ую бо м б у, заяви л, что С о еди н ен н ы е Ш таты до лж н ы разрабо тать сво ю со бствен н ую . Н о ещ е до п ервого атом н о го взры ва он п убли чн о п редуп реж д ал о б о п асн о стях ядерн о й во й н ы и п редлагал устан о ви ть м еж д ун аро дн ы й ко н тро ль н ад ядерн ы м воо руж ен и ем . Б о рьба за м и р, ко то рую Э й н ш тей н вел н а п ро тяж ен и и всей сво ей ж и зн и , веро ятн о, п ри н есла м ало до лго в рем ен н ы х п ло до в и , ко н ечн о , м ало др узей . Е го п убли чн ая п о ддерж ка дела си о н и зм а бы ла, о дн ако, до лж н ы м о бразо м о ц ен ен а в 1952 г., ко гда ем у п редлагали стать п рези ден то м И зраи ля. О н о тказался, со славш и сь н а то , что н еи скуш ен в п о ли ти ке. Н о во зм о ж н о, реальн ая п ри чи н а заклю чалась в и н о м , и тут м ы сн о ва со ш лем ся н а его сло ва: «У равн ен и я для м ен я важ н ее, п ото м у что п оли ти ка для н асто ящ его, а уравн ен и я для вечн о сти ».
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• Г ал и л ео Г ал и л ей • Г али лей , во зм о ж н о, бо льш е лю бо го др уго го человека о тветствен ен за рож ден и е со врем ен н о й н ауки . И звестн ы й ко н ф ли кт с Р и м ско -като ли ческо й ц ерко вью и м еет клю чево е зн ачен и е для его ф и ло со ф и и , п оско льку Г али лей о дн и м и з п ервы х стал до казы вать, что чело век сп о со бен п озн ать, как устро ен м и р, и , бо лее того , п озн ать это п утем н аблю ден и я за реальн ы м и явлен и ям и . Г али лей с сам ого н ачала вери л в тео ри ю К о п ерн и ка (что п лан еты о бращ аю тся во круг С о лн ц а), н о он стал п убли чн о вы сказы ваться в ее п о ддерж ку то лько тогда, ко гда н аш ел н ео бхо ди м ы е до казательства. О н н ап и сал о теори и К о п ерн и ка н а и тальян ско м язы ке (а н е н а латы н и , п ри н ятой то гда в учен о й среде), и ско ро его взгляды п о лучи ли ш и ро кую п о ддерж ку вн е ун и верси тетов. Э то вы звало раздраж ен и е п ро ф ессо ро в — п ри верж ен ц ев А ри сто теля, ко то ры е о бъ еди н и ли сь п роти в Г али лея, стрем ясь до би ться о т К ато ли ческо й ц ер кви зап рета н а учен и е К о п ерн и ка. 169
Г али лей , о бесп о ко ен н ы й эти м , отп рави лся в Р и м , что бы п ого во ри ть с духо вн ы м и авто ри тетам и . О н утверж дал, что Б и бли я со здан а н е для того , что бы служ и ть и сто чн и ко м н аучн ы х тео ри й , и те м еста, где он а п ро ти во речи т здравом у см ы сл у, являю тся аллего ри ям и . Н о К ато ли ческая ц ерко вь, о п асаясь скан дала, ко то ры й м о г бы п ой ти во вред ее бо рьбе с п ро тестан тство м , п ри бегла к реп ресси вн ы м м ерам . В 1616 г. о н а о бъ яви ла учен и е К о п ерн и ка «ло ж н ы м и ош и бо чн ы м » и п о требо вала, что бы Г али лей н и к о гда бо льш е «н е защ и щ ал и н е п ри держ и вался» это й до ктри н ы . Г али лей со гласи лся. В 1623 г. давн и й др уг Г али лея стал Р и м ски м П ап ой . Г али лей сразу п о п ро бо вал до би ться о тм ен ы п о стан овлен и я 1616 г. О н п о терп ел н еуд ач у, н о п о лучи л разреш ен и е н ап и сать кн и гу о си стем ах А ри сто теля и К о п ерн и ка н а двух усло ви ях: о н н е стан ет п ри н и м ать чью -ли бо сто ро н у и п ри дет к вы во ду, что человек н е м о ж ет реш ать, как устро ен м и р, п о ско льку Б о г сп о со бен до би ться о дн и х и тех ж е результато в сп о со бам и , н е до ступ н ы м и разум ен и ю чело века, ко то ры й н е в си лах о гран и чи ть всем огущ ество Б ога. К н и га «Д и ало г о двух главн ей ш и х си стем ах м и ра, п то лем еевой и ко п ерн и ково й » бы ла зако н чен а и и здан а в 1632 г. п ри п о лн о й п о ддерж ке ц ен зо ро в — и н ем едлен н о п о лучи ла п ри зн ан и е во всей Е вро п е как ли тературн ы й и ф и ло со ф ски й ш едевр. С ко ро П ап а Р и м ски й , о со зн ав, что кн и гу во сп ри н яли как убеди тельн ы й аргум ен т в п о льзу уч ен и я К о п ерн и ка, п ож алел, что дал разреш ен и е н а ее п убли кац и ю . П ап а утверж дал, что, хо тя кн и га вы ш ла с о ф и ц и альн о го благо сло вен и я ц ен зо ро в, Г али лей те м н е м ен ее н аруш и л п о стан овлен и е 1616 г. Г али лей п редстал п еред судо м и н кви зи ц и и , ко то ры й п ри го во ри л его к п ож и зн ен н о м у до м аш н ем у аресту и п ри казал, что бы он п убли чн о о трекся о т учен и я К о п ерн и ка. И вн о вь Г али лей со гласи лся. 170
Г али лей о стался п редан н ы м като ли ко м , н о его вера в н езави си м о сть н ауки н е бы ла со круш ен а. За четы ре го да до см ерти , в 1642 г., ко гда о н все ещ е п ребы вал п о д до м аш н и м аресто м , руко п и сь его вто ро й главн о й кн и ги бы ла тай н о п ереп равлен а и здателю в Г о ллан ди и . И м ен н о эта рабо та, «Б еседы и м атем ати чески е до казательства, касаю щ и еся двух н о вы х о траслей н ауки », даж е бо льш е, чем п о ддерж ка К о п ерн и ка, дала то лчо к к ро ж ден и ю соврем ен н о й ф и зи ки .
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
171
• И саак Н ь ю тон • И саак Н ью то н н е бы л п ри ятн ы м чело веко м . Е го п ло хи е о тн ош ен и я с други м и учен ы м и п ечальн о и звестн ы , а сво и п о следн и е го ды он п ро вел в го рячи х сп о рах [о п ри о ри тете о ткры ти й ]. П о сле п убли кац и и «Н ач ал» — н есо м н ен н о , сам ого важ н о го и з ко гда-ли бо н ап и сан н ы х ф и зи чески х тр удо в — Н ью то н бы стро до сти г ш и ро ко й и звестн о сти . О н бы л н азн ачен п рези ден то м К о ро левского о бщ ества и п ервы м и з учен ы х во зведен в ры ц арско е до сто и н ство. Д о во льн о ско ро у Н ью то н а п ро и зош ла сты чка с ко ро левски м астро н ом о м , ди ректо ро м Г ри н ви чско й о бсервато ри и Д ж о н ом Ф лем сти до м , ко то ры й ран ее о бесп ечи л Н ью то н а дан н ы м и , край н е важ н ы м и для его «Н ачал», а теп ерь о тказы вал в и н ф о рм ац и и . Н ью то н н е м ог см и ри ться с о тказо м : он до би лся сво его н азн ачен и я в совет, уп равляю щ и й К о ро левской Г ри н ви чско й о бсервато ри ей , и затем п о п ы тался н асто ять н а н ем едлен н о й п убли кац и и дан н ы х. В и то ге его старан и ям и рабо та Ф лем сти да бы ла п о хи щ ен а и п о дго товлен а к п убли кац и и см ертельн ы м врагом п о следн его, Э дм ун до м Г аллеем . Н о Ф лем сти д через суд в п о следн и й м о м ен т н алож и л зап рет н а расп ро стран ен и е украден н о й у н его рабо ты . Р азгн еван н ы й Н ью 172
то н ото м сти л тем , что си стем ати чески удалял все ссы лки н а Ф лем сти да и з п о след ую щ и х и здан и й «Н ачал ». Б о лее серьезн ы й ко н ф ли кт во зн и к у Н ью тон а с н ем ец ки м ф и ло со ф о м Г о тф ри до м Л ей бн и ц ем . Л ей бн и ц и Н ью то н н езави си м о др уг от друга со здали н овую о бласть м атем ати ки , н азы ваем ую ан али зо м , н а ко то ро й о сн ован а зн ачи тельн ая часть соврем ен н ой ф и зи ки . Х отя, как м ы теп ерь зн аем , Н ью тон откры л м атем ати чески й ан али з н а н еско лько лет ран ьш е Л ей бн и ц а, результаты сво ей рабо ты о н о бн аро довал н ам н о го п о зж е. У чен ы й м и р втян улся в о струю ди скусси ю о том , ком у п ри н адлеж и т п ри о ри тет откры ти я. П ри м ечательн о, о дн ако, что бо льш и н ство статей в защ и ту Н ью то н а бы ли п ервон ачальн о н ап и сан ы его со бствен н о й руко й — и то лько и здан ы п о д и м ен ам и друзей ! П о ско льку разн огласи я н е ути хали , а только н аби рали си л у, Л ей бн и ц о брати лся к К о ро левско м у о бщ еству с п ро сьбой разреш и ть сп о р, и это бы ла его о ш и бка. Б уд учи п рези ден то м о бщ ества, Н ью то н н азн ачи л «бесп ри страстн ую » ко м и сси ю для расследо ван и я, ко то рая п о лю бо п ы тн ом у со вп аден и ю со сто яла сп лош ь и з его др узей ! Н о это ещ е н е вс е: Н ью то н сам н ап и сал заклю чен и е ко м и сси и и н асто ял, что бы К о ро левско е о бщ ество его о п убли ко вало, о ф и ц и альн о о бви н и в Л ей бн и ц а в п лаги ате. В се ещ е н еудо влетво рен н ы й , он п о м ести л ан о н и м н ы й о бзо р соо бщ ен и я в п ери о ди ческо м и здан и и К о ро левского о бщ ества. Г ово ря т, п о сле см ерти Л ей бн и ц а Н ью тон вы сказал бо льш о е удо влетво рен и е тем , что «разби л Л ей бн и ц у сердц е». В то врем я ко гда ш ли эти два сп о ра, Н ью то н уж е п о ки н ул К ем бри дж и академ и ческо е соо бщ ество. В К ем бри дж е, а затем в п арлам ен те о н акти вн о п ро во ди л ан ти като ли ч ескую п о ли ти ку и бы л возн аграж ден н азн ачен и ем н а п ри бы льн ую до лж н о сть см о три теля М о н етн ого дво ра. Здесь о н н аш ел бо лее п ри ем лем о е для о бщ ества п ри м ен ен и е сво ей и зво ро тли во сти и ж елчн о сти , с усп ехо м взявш и сь за бо рьб у с ф альш и во м о н етчи кам и , и даж е о тп рави л н еско лько человек н а ви сели ц у.
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
• С л ов ар ь терм и н ов • А бсол ю тн ы й н ол ь — сам ая н и зкая во зм ож н ая тем п ература, п ри ко то ро й вещ ество н е со держ и т теп ло во й эн ерги и . А н ти ч асти ц а — каж до м у ти п у части ц соо тветствую т сво и ан ти части ц ы . К огда части ц а сталки вается с ан ти части ц ей , о н и ан н и ги ли рую т, о ставляя то лько эн ерги ю . А н тр оп н ы й п р и н ц и п — п ри н ц и п , согласн о кото ром у м ы ви ди м В селен н ую тако й , а н е и н ой , п о том у что , если бы о н а бы ла и н о й , н ас бы здесь н е бы ло и м ы н е м о гли бы ее н аблю дать. А том — о сн о вн ая еди н и ц а о бы чн о го вещ ества, ко то рая со сто и т и з крош ечн ого ядра (слож ен н о го и з п ро то н ов и н ей тро н ов), о кр уж ен н о го о бращ аю щ и м и ся во круг н его электро н ам и . Б ол ь ш ое схл оп ы в ан и е — си н гулярн о сть в кон ц е эво лю ц и и В селен н ой . Б ол ь ш ой В зр ы в — си н гулярн о сть в н ачале эво лю ц и и В селен н о й . В ес — си ла, п о ро ж даем ая дей стви ем н а тело грави тац и он н о го п о ля. В ес п роп о рц и о н ален м ассе, о дн ако н е то ж дествен ей . 174
В и р туал ь н ая ч асти ц а — в кван то во й м ехан и ке части ц а, ко то рую н ево зм о ж н о о бн аруж и ть н еп о средствен н о, н о чье сущ ествован и е п о рож дает и зм е ри м ы е эф ф екты . Г ам м а-и злучен и е — электро м агн и тн о е и злуч ен и е с о чен ь ко ро ткой дли н о й во лн ы , п о рож даем о е ради о акти вн ы м расп адом и сто лкн овен и ям и элем ен тарн ы х части ц . Г еодези ч еск ая л и н и я — сам ы й ко ро тки й (и ли сам ы й дли н н ы й ) п уть м еж д у двум я то чкам и . Г ор и зон т собы ти й — гран и ц а черн о й ды ры . Д л и н а в ол н ы — рассто ян и е м еж д у двум я со седн и м и вп ади н ам и и ли двум я со седн и м и гребн ям и во лн ы . Д уал ь н ость — соо тветстви е м еж д у разли чн ы м и н а п ервы й взгляд тео ри ям и , ко то ро е п ри во ди т к и ден ти чн ы м ф и зи чески м результатам . К в ан тов ая м ехан и к а — тео ри я, разви тая н а о сн о ве кван тово го п ри н ц и п а П лан ка и п ри н ц и п а н ео п ределен н о сти Г ей зен берга. К в ан тов ы й п р и н ц и п П л ан к а — п редставлен и е о том , что свет (и ли лю бы е др уги е класси чески е во лн ы ) м ож ет и сп ускаться и п огло щ аться то лько ди скретн ы м и п о рц и ям и (кван там и ), эн ерги я ко то ры х п роп о рц и о н альн а дли н е во лн ы . К в ар к — заряж ен н ая элем ен тарн ая части ц а, участвую щ ая в си льн о м взаи м о дей стви и . П ро то н ы и н ей трон ы со сто ят и з трех кварков. К оор ди н аты — чи сла, ко то ры е задаю т п о ло ж ен и е то чки в п ро стран стве и в рем ен и . К ор п уск ул я р н о-в ол н ов ой дуал и зм — в кван тово й м ехан и ке ко н ц еп ц и я, со гласн о ко то ро й м еж ду во лн ам и и части ц ам и н ет разн и ц ы ; части ц ы м огут и н огда вести себя п о до бн о во лн ам , а во лн ы — п о до бн о части ц ам . К осм ол оги ч еск ая п остоя н н ая — м атем ати ческо е п ри сп о со блен и е, и сп о льзован н о е Э й н ш тей н ом , что бы н адели ть п ро стран ство -врем я стрем лен и ем к расш и рен и ю . 175
К осм ол оги я — н аука, и зучаю щ ая В селен н ую как ц ело е. К р асн ое см ещ ен и е — п о красн ен и е света уд аляю щ ей ся о т н ас звезды , ко то ро е о бусло влен н о эф ф екто м Д о п лера. К р отов ая н ор а — тон кая трубка п ро стран ства-врем ен и , со еди н яю щ ая о тдален н ы е о бласти В селен н о й . К ро то вы е н о ры м огут такж е со еди н ять п араллельн ы е и ли зарож даю щ и еся вселен н ы е и о бесп ечи вать во зм ож н о сть п утеш естви я во врем ен и . М агн и тн ое п ол е — п о ле, о тветствен н о е за м агн и тн ы е си лы . Т еп ерь рассм атри вается со вм естн о с электри чески м п олем как п ро явлен и е еди н ого электро м агн и тн ого п о ля. М асса — ко ли чество м атери и в теле; его и н ерц и я, и ли со п роти влен и е уско рен и ю . С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
М и к р ов ол н ов ое ф он ов ое и зл уч ен и е — и злучен и е, о ставш ееся о т го рячей ран н ей В селен н о й и и сп ы тавш ее к н асто ящ ем у врем ен и сто ль си льн о е красн о е см ещ ен и е, что и з света п реврати ло сь в м и кро во лн ы (ради о во лн ы с дли н о й во лн ы н еско лько сан ти м етро в). М ост Э й н ш тей н а-Р озен а — то н кая трубка п ро стран ства-врем ен и , со еди н яю щ ая д ве черн ы е ды ры . С м . т акж е К ро то вая н о ра. Н ей тр и н о — чрезвы чай н о легкая (возм о ж н о , безм ассовая) части ц а, ко то рая п о дверж ен а дей стви ю то лько слабы х си л и грави тац и и . Н ей тр он — н езаряж ен н ая части ц а, о чен ь п охо ж ая н а п ро то н . Н ей трон ы со ставляю т о ко ло п о ло ви н ы части ц ато м н о го ядра. Н ей тр он н ая зв езда — хо ло дн ая звезда, удерж и ваем ая в равн о веси и благо даря п ри н ц и п у зап рета П аули , вы зы ваю щ ем у о тталки ван и е м еж д у н ей трон ам и . О бщ ая теор и я отн оси тел ь н ости — тео ри я Э й н ш тей н а, о сн ован н ая н а и дее, что зако н ы ф и зи ки до лж н ы бы ть о ди н ако вы м и для всех н аблю д ателей , н езави си м о о т то го, как о н и дви ж утся. 176
Д ает о бъ ясн ен и е грави тац и о н н ом у взаи м о дей стви ю в терм и н ах и скри влен и я четы рехм ерн о го п ро стран ства-врем ен и . О тсутств и е гр ан и ч н ы х усл ов и й — п редставлен и е о то м , что В селен н ая ко н ечн а, н о н е и м еет гран и ц . П ози тр он — п о лож и тельн о заряж ен н ая ан ти части ц а электро н а. П ол е — сущ н о сть, расп ределен н ая в п ро стран стве и врем ен и , в п ро ти во п о ло ж н о сть части ц е, ко то рая сущ ествует то лько в о дн ой точке в каж ды й м о м ен т врем ен и . П р и н ц и п и ск л ю ч ен и я (п р и н ц и п зап р ета П аул и ) — п редставлен и е, со гласн о ко то ро м у две и ден ти чн ы е части ц ы н еко то ры х ти п ов н е м о гут и м еть о дн оврем ен н о (в гран и ц ах, устан о влен н ы х п ри н ц и п о м н ео п ределен н о сти ) о ди н ако вого п о ло ж ен и я и ско ро сти . П р и н ц и п н еоп р едел ен н ости — п ри н ц и п , сф о р м ули ро ван н ы й Г ей зен берго м и утверж даю щ и й , что н ельзя о дн оврем ен н о точн о о п редели ть и п о лож ен и е, и ско ро сть части ц ы ; чем то чн ее м ы зн аем о дн о, тем м ен ее то чн о др уго е. П р оп ор ц и он ал ь н ость — вы раж ен и е «В ели чи н а Х п ро п о рц и о н альн а Y» о зн ачает, что ко гда Y ум н о ж ается н а п ро и зво льн о е чи сло , то ж е сам о е п рои схо ди т с X; вы раж ен и е «вели чи н а X о братн о п ро п о рц и о н альн а Y» о зн ачает, что , ко гда Y ум н о ж ается н а п рои зво льн о е чи сло , X дели тся н а это ж е чи сло. П р остр ан ств ен н ое и зм ер ен и е — лю бо е и з эти х трех и зм ерен и й , то есть лю бо е и зм ерен и е, кро м е врем ен и . П р остр ан ств о-в р ем я — четы рехм ерн о е п ро стран ство, то чки ко то рого являю тся со бы ти ям и . П р отон — п о ло ж и тельн о заряж ен н ая части ц а, о чен ь п о хож ая н а н ей тро н . В бо льш и н стве атом о в п ро то н ы со ставляю т о ко ло п о ло ви н ы всех части ц в ядр е. Р адар — си стем а, и сп о льзую щ ая и м п ульсы ради о во лн для о п ределен и я п о ло ж ен и я о бъ ектов п утем и зм ерен и я врем ен и , 177
ко то ро е треб уется и м п ульсу, что бы до сти чь о бъ екта и , отрази вш и сь, верн уться о братн о . Р ади оак ти в н ость — сп он тан н ы й расп ад атом н о го ядра, п рев ращ аю щ и й его в ядро др уго го ти п а. С в етов ая сек ун да (св етов ой год) — рассто ян и е, п ро хо ди м о е свето м за о дн у секун д у (о ди н го д). С и льн о е в заи м одей стви е — сам о е си льн о е и з четы рех ф ун д ам ен тальн ы х взаи м о дей стви й с сам ы м ко ро тки м ради усо м дей стви я. С и льн о е взаи м о дей стви е уд ерж и вает кварки вн утри п ро то н о в и н ей трон ов, а такж е уд ерж и вает вм есте п ро то н ы и н ей трон ы , благо даря чем у о бразую тся ато м ы . С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
С и н гул я р н ость — то чка в п ро стран стве-врем ен и , где и скри влен и е п ро стран ства-врем ен и (и ли н екая др угая ф и зи ческая вели чи н а) до сти гает беско н ечн о го зн ачен и я. С л абое в заи м одей ств и е — вто рая п о слабо сти и з четы рех ф ун дам ен тальн ы х си л с о чен ь ко ро тки м ради усо м дей стви я. В ли яет н а все части ц ы вещ ества, н о н е затраги вает части ц ы -п ерен о счи ки взаи м о дей стви й . С обы ти е — то чка в п ро стран стве-врем ен и , характери зуем ая врем ен ем и м есто м . С п ек тр — со во куп н о сть часто т, со ставляю щ и х во лн ы . В и ди м ую часть со лн ечн о го сп ектра м ож н о ви деть в радуге. С п ец и ал ь н ая теор и я отн оси тел ь н ости — теори я Э й н ш тей н а, о сн ован н ая н а и дее, что зако н ы ф и зи ки до лж н ы бы ть о ди н ако вы для всех н аблю д ателей н езави си м о о т того , как о н и дви ж утся, п ри о тсутстви и грави тац и о н н ы х явлен и й . Т ем н ая м атер и я — м атери я в галакти ках, и х ско п лен и ях и , во зм ож н о, м еж д у ско п лен и ям и , ко торая н е м ож ет н аблю даться н еп о средствен н о , н о м о ж ет бы ть о бн аруж ен а п о ее грави тац и о н н о м у п ри тяж ен и ю . Н а тем н ую м атери ю м о ж ет п ри хо ди ться до 90% м ассы В селен н ой . Т еор и я в ел и к ого объ еди н ен и я — тео ри я, ко то рая о бъ еди н яет электро м агн и тн о е, си льн о е и слабо е взаи м о дей стви я. 178
Т еор и я стр ун — ф и зи ческая тео ри я, в ко то ро й части ц ы о п и сы ваю тся как во лн ы н а стр ун ах. С тр ун ы и м ею т дли н у, н о н е о бладаю т др уги м и и зм ерен и ям и . У ск ор ен и е — тем п и зм ен ен и я ско ро сти о бъ екта. У ск ор и тел ь эл ем ен тар н ы х ч асти ц — устан овка, сп о со бн ая уско рять дви ж ущ и еся заряж ен н ы е части ц ы , п ередавая и м эн ерги ю п ри п о м ощ и электро м агн и тов. Ф аза (в ол н ы ) — п о лож ен и е в ц и кле во лн о во го п роц есса в ф и кси ро ван н ы й м ом ен т врем ен и ; м ера то го, п ри хо ди тся ли сделан н ы й о тсчет н а гребен ь во лн ы , н а вп ади н у и ли н а како е-то п ром еж уто чн о е со сто ян и е. Ф отон — кван т света. Ч астота (в ол н ы ) — чи сло п о лн ы х ц и кло в ко лебан и я в секун д у. Ч ер н ая ды р а — о бласть п ро стран ства-врем ен и , ко то рую н и что, даж е свет, н е м о ж ет п о ки н уть и з-за о чен ь си льн о й грави тац и и . Э л ек тр и ч еск и й зар я д — сво й ство части ц ы , благо даря ко то ром у о н а м о ж ет о тталки вать (и ли п ри тяги вать) други е части ц ы , и м ею щ и е заряд того ж е (и ли п ро ти во п о лож н ого ) зн ака. Э л ек тр ом агн и тн ое в заи м одей ств и е — взаи м о дей стви е, во зн и каю щ ее м еж д у части ц ам и , и м ею щ и м и электри чески й заряд; вто ро е п о си ле и з четы рех ф ун дам ен тальн ы х взаи м о дей стви й . Э л ек тр он — части ц а с о три ц ательн ы м электри чески м зарядо м , ко то рая вращ ается во круг ядра ато м а. Э л ем ен тар н ая ч асти ц а — части ц а, ко то рая счи тается н едели м о й 1. 1
П ри н ято счи тать, что м н оги е элем ен тарн ы е части ц ы (так н азы ваем ы е адрон ы , к чи слу которы х п ри н адлеж ат п ротон ы и н ей трон ы ) состоят и з кварков, то есть, п о сути дела, н е являю тся элем ен тарн ы м и. О дн ако кварки п одч и н яю тся так н азы ваем ом у п ри н ц и п у кон ф ай н м ен та (н евы летан и я), согласн о котор ом у отд ельн ы й кварк н е м ож ет сущ ествовать в и золи рован н ом состоян и и . П ри п оп ы тке разби ть адрон н а кварки , рож даю тся н овы е кварки , соеди н яю щ и еся с вы би ты м и и з состава элем ен тарн ой части ц ы . П оэтом у, н есм отря н а слож н ую стр уктур у, элем ен тарн ы е части ц ы дей стви тельн о являю тся н едели м ы м и . 179
Э н ер ги я эл ек тр осл абого объ еди н ен и я — эн ерги я (о ко ло 100 ги гаэлектро н во льт), вы ш е ко торо й и счезает разли чи е м еж д у электр о м агн и тн ы м и слабы м взаи м о дей стви ям и . Я дер н ы й си н тез — п роц есс, в кото ро м два ядра сталки ваю тся и сли ваю тся, о бразуя бо лее тяж ело е ядро. Я др о — ц ен тральн ая часть ато м а, ко то р ая состо и т то лько и з п ро то н ов и н ей тро н ов, уд ерж и ваем ы х вм есте си льн ы м взаи м о дей стви ем . С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
Я н к о С л ав а
• О гл авл ен и е • П реди слови е............................................ 5 Г лава первая. Р азм ы ш ляя о В сел ен н ой ...................... 7 Г лава вт орая. Р азви ти е карти н ы м и ра...................... 10 Г лава т рет ья. С уть н аучн ы х теори й ........................ 17 Г лава чет верт ая. В сел ен н ая Н ью тон а...................... 24 Г лава пят ая. О тн оси тельн ость............................. 32 Г лава ш ест ая. И скри вл ен н ое п ростран ство ................. 44 Г лава седьм ая. Р асш и ряю щ аяся В сел ен н ая.................. 57 Г лава восьм ая. Б ольш ой В зры в, черн ы е ды ры и эволю ц и я В сел ен н ой ........................................... 78 Г лава девят ая. К ван товая грави тац и я ...................... 98 Г лава десят ая. К ротовы е н оры и п утеш естви я во врем ен и .... Г лава одиннадцат ая. С и лы п ри роды и объ еди н ен и е ф и зи ки ... Г лава двенадцат ая. Заклю чен и е ........................... 160 А льб ерт Э й н ш тей н ....................................... 166 Г али лео Г али лей ......................................... 168 И саак Н ью тон ........................................... 171 С ловарь терм и н ов ....................................... 173 Н аучно -популярное издание
119 134
С ти в ен Х ок и н г, Л еон ар д М л оди н ов
К РА Т Ч А Й Ш А Я И С Т О РИ Я В РЕ М Е Н И О тветствен н ы й редактор Т ат ьяна Ф илат ова Х уд ож ествен н ы й редактор Е гор С алам аш енко Т ехн и чески й редактор Е лена Т раскевич К орр ектор О льга С м ирнова В ерстка М аксим а Залиева П одп и сан о в п ечать 05.05.2006. Ф орм ат и здан и я 60x90 1/16. П ечать оф сетн ая. У сл. п еч. л. 11,5. Т и раж 5000 экз. И зд. № 60212. Заказ № 1298. И здательство «А м ф ора». Т оргово-и здательски й дом «А м ф ора». 197342, С ан кт-П етерб ург, н аб. Ч ерн ой речки , д. 15, ли тера А . E-mail:
[email protected]
О тп ечатан о п о техн ол оги и CtP в О А О С ан кт-П етерб ург, Ч каловски й п р., 15.
«П ечатн ы й двор» и м . А . М . Г орького. 197110,
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
Я н к о С л ав а
Б И Б Л И О Т Е К А FORT/DA = http://yanko.lib.ru/
П о вопросам пост авок обращ айт есь: ЗА О Т орговы й дом «А м ф ора» 123060, М осква, ул. Б ерзари н а, д. 36, строен и е 2 (р ядом со ст. м етро «О ктябрьское п оле») Т ел./ф акс: (495) 192 -83-81, 192-86-84, 944-96-76, 46-95-00 E-mail:
[email protected] ЗА О Т орговы й дом «А м ф ора» 198096, С ан кт-П етерб ург, К рон ш тадтская ул., 11 Т ел./ф акс: (812) 783 -50-13, 35-34-72 E-mail:
[email protected]
С кан и рован и е и ф орм ати рован и е: Я н ко С лава (Б и бли отека Fort/Da) ||
[email protected] ||
[email protected] || http://yanko.lib.ru || Icq# 75088656 || Б и бли отека: http://yanko.lib.ru/gum.html || Н ом ера стран и ц - вверху update 06.07.06
С ти вен Х оки н г, Л еон ард М лоди н ов. К ратчай ш ая и стори я врем ен и .
