Жизнь в невозможном мире: Краткий курс физики для лириков - Алексей Цвелик

Так вот, сколько-то лет назад профессор Саймонс оставил теоретическую математику и занялся, так сказать, математикой прикладной, основав Renaissance Technology. В фирме этой работает множество бывших физиков и математиков. Так как их глава понимал, чем его подчиненные занимаются, фирма эта ничуть не пострадала в нынешнем кризисе. Однако самому Саймонсу, по-видимому, занятия эти наскучили, он ушел из «Ренессанса» и, вместо того чтобы уехать на Гавайи, проводит время на семинарах в центре своего имени, на постройку и работу которого он пожертвовал шестьдесят миллионов долларов. Там я его и созерцаю.

Судя по тому, чем центр Саймонса занимается, у миллиардера-математика есть мечта. Построить не яхту в сто пятьдесят метров длиной, как у Абрамовича (уже осуществил), а создать Теорию Всего. Зачем? Дело в том, что ученым, в число которых на старости лет вернулся и Саймонс, не дает покоя то, что теории, описывающие разные аспекты нашего бытия, не до конца согласуются друг с другом. Ну, казалось бы, и что? Почему не может быть так, что звезды управляются одними законами, а муравьи другими? Ан нет, наука, оказывается, в такое не верит. Ее вера в том, что все в природе управляется единой системой законов и в этом кодексе нет никаких противоречий, а следовательно, никаких судебных конфликтов и разбирательств, какой закон в данном случае какому предпочесть, быть не может. То есть в наших знаниях противоречия эти, конечно, возникают, но ученые верят, что они есть лишь следствие нашего непонимания того, что происходит, или, другими словами, недостатка наших знаний. Эта вера двигала науку всегда, и все возникавшие противоречия с блеском разрешались.

Чтобы не быть голословным, приведу несколько примеров. Классическая механика Ньютона не предполагала, что скорость света чем-то выделяется среди других скоростей, а в электродинамике Максвелла скорость света в вакууме есть максимально возможная в природе скорость. Противоречие это было замечено в конце XIX века и лишило ученых покоя. Разрешилось оно в специальной теории относительности, созданной усилиями Эйнштейна не без помощи Лоренца и Минковского, показавшей, что механика Ньютона справедлива лишь для скоростей, много меньших скорости света. Для скоростей же, сравнимых со скоростью света, была сформулирована релятивистская механика, являющаяся обобщением механики Ньютона и плавно переходящая в последнюю на малых скоростях. На этом противоречия не кончились. Оказалось, что созданная почти одновременно с теорией относительности для описания микромира квантовая механика и специальная теория относительности не стыкуются. Это противоречие было разрешено Полем Дираком и опять-таки привело к смещению парадигмы в физике. Оказалось, что для разрешения противоречия необходимо допустить, что у известных нам частиц есть своего рода зеркальные двойники — античастицы. То есть ради какой-то нестыковки в уравнениях потребовалось, ни много ни мало, допустить существование целого нового мира! И, что самое удивительное, этот мир, вызванный к жизни необходимостью разрешения математического противоречия в теории, был вскоре открыт! Ныне мы даже пользуемся плодами этих открытий, например в медицине. Недавно мне делали скан всего организма; скан этот назывался позитронной эмиссионной томографией, и делается он при помощи позитронов — зеркальных двойников электрона.

Теория Дирака положила начало тому, что сейчас именуется квантовой теорией поля, но не положила конец противоречиям. На очереди два следующих: между общей теорией относительности (которую можно также назвать теорией гравитации) и квантовой теорией поля — и между биологией и квантовой механикой.

Начнем с первого противоречия. Его суть состоит в том, что мы до сих пор не знаем, как включить квантовую теорию поля и гравитацию в общую схему. Согласно логике квантовой теории гравитационные силы должны переноситься частицами (для них даже название есть — гравитон), наподобие того, как электромагнитные силы переносятся фотонами или слабые взаимодействия W- и Z-бозонами. Логика логикой, а конкретных вычислений мы предъявить не можем. В практическом отношении это противоречие, казалось бы, не очень важно. Недостаток наших знаний мешает нам описать то, что происходило со Вселенной ближе к ее началу, чем 10-43 секунды. Ну, скажет скептик, обсуждать такие вопросы — это как рассуждать о том, сколько ангелов уместится на острие меча. Такое только схоласты в Средние века обсуждали. Ну и говорите, что хотите, а нам это интересно — нас такие вопросы занимают потому, что мы верим: в знании нашем не должно быть никаких прорех.

Какие у нас, однако, основания думать, что гравитация подчиняется законам квантовой механики? Таковые имеются, и за их открытие в 2011 году была дана Нобелевская премия по физике. Читатель, наверное, слышал, что премия была присуждена за открытие того, что расширение Вселенной не замедляется, как думали раньше, а ускоряется. Ускорение это объясняют присутствием особой силы «антигравитации», которая, как ни странно, свойственна «пустому» пространству. Как мы уже обсуждали в медитации про «пустоту», ничего совершенно пустого квантовая теория не допускает; из вакуума постоянно возникают и в нем исчезают частицы. Полагают, что такое мельтешение и ответственно за ту «темную энергию», которая наполняет, по-видимому, пустое пространство. Когда-то Эйнштейн предположил существование такой формы энергии, следуя соображениям, ничего общего не имеющим с квантовой теорией, в которую он к тому же и не верил. Эйнштейна, воспитанного в традициях классической греческой философии Аристотеля с ее верой в вечность мироздания, раздражало то, что его теория предсказывала, что Вселенная имеет начало во времени. Для утверждения вечности сущего Эйнштейн ввел в свою теорию так называемый космологический член, приписывая тем самым энергию «пустому» пространству. Через несколько лет, когда оказалось, что Вселенная таки не стационарна, а расширяется, Эйнштейн отказался от космологического члена, назвав его «величайшим просчетом в своей жизни». Однако, как сейчас выяснилось, «темная энергия» все-таки существует, хотя плотность ее намного меньше того, что первоначально предполагал Эйнштейн, что, кстати, является одной из величайших загадок современной физики. Как ни мала величина космологической постоянной, ее вполне достаточно для того, чтобы мы могли убедиться: квантовые эффекты в гравитации существуют.

Не могу удержаться, чтобы не сделать небольшое отступление и не рассказать об этом знаменитом «просчете» Эйнштейна и о том, как сформировались современные взгляды на развитие Вселенной. На протяжении этой книги я много раз упоминал: ученые считают, что Вселенная имела начало во времени. Несмотря на то что осознание этого факта пришло к Эйнштейну и другим гигантам науки в 1920-е годы, после того, как астроном Хаббл открыл эффект красного смещения, консенсус среди широкой научной общественности установился только в 1960-е годы. Решающим фактором послужило открытие так называемого реликтового излучения или, проще говоря, света, дошедшего до нас с сотворения мира. Может быть, читатель помнит, как в «Братьях Карамазовых» Смердяков издевался над простой верой воспитавшего его слуги Григория: «Свет создал Господь Бог в первый день, а солнце, луну и звезды на четвертый день. Откуда же свет-то сиял в первый день?» Вот этот-то свет, сиявший в первый день, когда еще не было ни звезд, ни планет, и «увидели» в 1965 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Открытие это совершилось при испытаниях новой огромной антенны, созданной совсем не для астрофизических целей. При испытаниях антенны Пензиас и Вильсон, к огромному своему раздражению, обнаружили, что не могут добиться хорошего качества приема на интересовавших их частотах из-за постоянного шума. Сначала думали, что источником шума являются недостатки конструкции антенны, потом грешили на голубей, потом думали, что его источником является расположенный поблизости город Нью-Йорк. Однако оказалось, что излучение идет из космоса и приходит равномерно со всех сторон. Вскоре выяснился еще один удивительный факт: спектральный состав этого излучения совпадал с излучением абсолютно черного тела с температурой примерно 2,7 градуса по шкале Кельвина (-270 °C). Означать это могло только одно: наблюдаемое инфракрасное излучение есть продукт материи, равномерно заполнявшей Вселенную и находившейся когда-то в термодинамическом равновесии сама с собой и с излучением (так и определяется в физике понятие «абсолютно черного тела»). Надо ли говорить, что мир сегодняшнего дня ничем такое состояние не напоминает. Каждая звезда и планета имеют свою температуру (правильнее сказать, среднюю, поскольку температура внутренних частей и поверхности разная), свет сам с собой практически не взаимодействует и поэтому прийти в состояние термодинамического равновесия не может. Между тем, как было замечено теоретиками Гамовым, Альфером и Германом еще в 1948 году, теория Большого взрыва предсказывает, что когда-то вещество Вселенной находилось именно в таком состоянии. То есть, до достижения Вселенной возраста в 400 000 лет (по нашим нынешним стандартам), ее вещество представляло собой плазму, совершенно непрозрачную для излучения. Вот это и было тем, что физика называет абсолютно черным телом. «И сказал Бог: да будет свет. И стал свет. И увидел Бог свет, что он хорош; и отделил Бог свет от тьмы» (Быт 1, 3–4). Отделение света от тьмы (вещества) произошло, когда температура материи упала ниже порога ионизации атомов водорода (около 3 000° К). С этого момента излучение (свет), продолжая оставаться в термодинамическом равновесии, фактически перестало взаимодействовать с веществом. По мере расширения Вселенной это оставшееся от «горячих» времен излучение остывало (при адиабатическом, то есть в отсутствие внешних источников тепла, расширении произведение Т3 V, где Т— температура по шкале Кельвина, a V — объем, остается постоянным, поэтому чем больше объем, тем меньше температура излучения) и к настоящему времени из горячего превратилось в крайне холодное. Вещество же, будучи в первое время после разделения просто горячей смесью водорода и гелия, развивалось далее своим путем, постепенно теряя однородность и структурируясь, формируя звезды (ставшие источниками своего собственного света), планеты и т. д.