На протяжении всей истории философы – а теперь физики-теоретики – пытаются представить себе картину мира. Чтобы разгадать его законы, законы природы, чье существование очевидно для всех нас (но чей язык оставался скрытым в течение очень долгого времени), они представляют себя в невозможных физических или экспериментальных ситуациях. Такие опыты называются мысленными экспериментами. Экспериментами чистого разума.
Как раз такую последовательность мысленных экспериментов вы испытали в этой книге. Они позволили вам путешествовать с помощью только мысли по известной на сегодняшний день Вселенной и за ее пределами.
Шредингер использовал такой способ, чтобы показать, как должны появляться странные квантовые правила, когда они связаны с макроскопическими, повседневными событиями. Он закончил котом, оказавшимся ни живым, ни мертвым, но мертвым и живым одновременно. Казалось бы, странные вещи, но на поверку выяснилось, что правильные.
Эйнштейн также извлек много пользы из мысленных экспериментов. Он представлял себе, на что будет похожа реальность, если скорость света имеет фиксированный предел. Чтобы сделать это, он спустился до уровня фотона. При взгляде на мир оттуда в его мозге зародилась специальная теория относительности, в частности говорящая о том, что самолет, летящий с той же скоростью, что и ваш, в конечном итоге, окажется на 400 лет вперед в будущем. Впоследствии было доказано, что так оно и есть.
Интуиция, хотя и не основанная на здравом смысле, позволившая человечеству выживать до сих пор, является тем, что руководило открытиями более ста последних лет. Как сказано в знаменитом изречении Эйнштейна, «воображение важнее знаний».
Все лица, виденные вами на звездном небе сразу после пробуждения на пляже, были лицами гигантов мысли прошлого и настоящего. Разумеется, я не могу назвать всех, их слишком много, но это те люди, чье наследие продолжает делать наш мир лучше известным и более обширным с каждой минутой. Они создали историю человеческого рода. Страницу за страницей они написали книгу о том, что мы знаем на настоящий момент о нашей реальности. Большинство из них не известны широкой публике, но из-за этого не менее значимы.
Вспоминая, как началось ваше путешествие, вы, однако, можете понять, что не нашли способ спасти Землю от будущего взрыва Солнца. Вы даже не придумали метод защитить планету от всевозможных катастроф, которые могут произойти до этого момента. Но вы действительно открыли инструменты, позволяющие человеческому роду справиться и выжить. И поможет нам наш мозг. Наш разум. Наше воображение. Наука.
Вы видели, что там, в космосе, существует бесчисленное множество других планет, миров, которые в один прекрасный день могут вступить с нами в контакт.
Что касается сегодняшних знаний, невозможно переместиться из одной части Вселенной в другую в течение одной или даже тысячи жизней. Можете сделать это только в уме. Но всего несколько поколений назад нужно было потратить несколько месяцев, чтобы доплыть из Европы в Австралию. Сейчас требуется пережить только несколько часов полета. Мы не знаем, что сделают возможным технологии завтрашнего дня. Мы не знаем, что в один прекрасный день позволит нам осуществить общая теория относительности. Сегодня, как я уже упоминал, она дала нам GPS. Пока только GPS. Завтра она может позволить нам найти кратчайшие пути в пространстве-времени, так называемые червоточины или кротовые норы, которые могли бы связать два удаленных места без необходимости преодолевать слишком обширные разделяющие их пространства.
До сих пор мы, люди, смогли отправиться за облака, на Луну, мы послали роботов к границам Солнечной системы. То, что лежит за ее пределами, человечество видело, но не побывало там; и вы сами обследовали все известное и неизвестное серией мысленных экспериментов. Благодаря этим полетам мысли вы собрали воедино всю сумму знаний теоретической физики начала XXI века.
Что-то из того, что вы узнали на протяжении этих путешествий, может, однако, оказаться ложным. Темная материя, темная энергия, параллельные миры и реальности – все это идеи, от которых ученые могут в конечном итоге отказаться, но тем не менее они являются самыми мощными идеями нашего времени. Они соответствуют тому, как сегодня человечество пытается придать смысл нашей Вселенной. Через несколько веков все это может оказаться отброшено либо принято. Мы не знаем. Но жить сегодня означает быть окруженным этими необычными идеями.
Так что, прежде чем позволить вам взглянуть на все с собственной точки зрения, вот последний итог увиденного вами плюс немного в довесок.
Как вы знаете, Ньютон не открыл общей теории природы, так называемую и пока что неуловимую теорию всего, о которой я упоминал некоторое время назад и для которой теория струн может оказаться соперничающей. Теория Ньютона даже не объяснила странную орбиту Меркурия, не говоря уже о расширении пространства-времени. Так что, в известном смысле, его теория неверна. Тем не менее она блестяща. Ее можно даже назвать совершенной: мы знаем, где она работает, и мы знаем, где и почему она рушится. Нам разрешили использовать ее в (приблизительных) масштабах, которые могут быть охвачены нашим человеческим мозгом: где-то между мега– и микромиром, на не чрезмерно высоких скоростях, где вовлеченная в процесс энергия не слишком интенсивна. Воспринимаемый нами мир, эволюция мира, которая позволила нам открывать его с помощью органов чувств, содержится в допустимых пределах теории Ньютона. Там коренится наш здравый смысл. Но есть вещи, лежащие за его рамками. Мир сверхскоростей, микромир и мегамир вместе со сверхэнергиями. В этих мирах законы Ньютона не имеют смысла, а чувства не помогают, но все же, как ни удивительно, человечеству удалось разгадать законы природы, применимые там, где мы их не можем видеть. Квантовые теории поля используются в микромире, а общая теория относительности берет на себя мегамир. В промежутке между этими двумя мирами Ньютон – король ситуации. Там, где теории Ньютона не работают, начинают обнаруживаться и ожидаться странные новые феномены, намекая на новые, загадочные реалии, граничащие с нашей собственной реальностью.
Обе теории – квантового поля и общей теории относительности – открыли наши глаза и умы для Вселенной гораздо более обширной, чем когда-либо мог представить себе любой из наших предков, но до сих пор эти теории тоже имеют ограничения. Однако, в отличие от теории Ньютона, никто не знает наверняка, что лежит за их пределами. В данной книге вы совершили путешествие по этим чрезвычайно успешным теориям и в последней части сделали робкий, пробный шаг дальше, за их границы. Вы вошли во Вселенную, чьи основные составляющие – струны и браны, Вселенную, созданную из многочисленных реальностей и возможностей, квантовых вакуумов, приводящих к странным законам во вселенных, не являющихся нашими собственными.
Экстраординарное видение Эйнштейна состояло в том, чтобы понять, что гравитация не то, чем считал ее Ньютон. Эйнштейн показал, что она имеет кривые и склоны. Гравитация, материя и энергия связаны очень простым способом: наша Вселенная имеет ткань, называемую пространство-время, кривые и формы которой обусловлены ее содержимым, тем, что находится внутри. Эффект этих кривых на близлежащих объектах и свете и есть то, что мы называем и воспринимаем как гравитацию. Вот в чем заключается общая теория относительности. Ей сто лет. Чтобы выяснить локальную форму Вселенной за пределами звезды и то, как ее гравитация влияет на окружающие объекты, просто необходимо знать энергию, содержащуюся внутри звезды. Многие ученые делали эти расчеты, начиная с немецкого физика Карла Шварцшильда.
В 1915-м, в тот самый год, когда Эйнштейн опубликовал свою теорию, в то время когда только горстка людей во всем мире поняла, о чем идет речь, Шварцшильд выяснил точную геометрию пространства-времени снаружи звезды. Ему было в то время 43 года, он достиг успеха во время боевых действий на русско-немецком фронте во время Первой мировой войны. Он умер несколько месяцев спустя от подхваченной там болезни. Войны лишили человечество слишком многих людей, в том числе тех, кто, как Шварцшильд, мог бы помочь нам понять мир лучше и быстрее.
При следовании работе Шварцшильда стало возможным предположить, как движутся вокруг звезд объекты и свет. Он рассчитал правильную орбиту Меркурия и показал, что свет сам по себе должен отклоняться от Солнца. В 1919 году экспедиция под руководством британского астронома, сэра Артура Эддингтона, обнаружила такое (ранее незаметное) отклонение. Фотографии, сделанные во время полного солнечного затмения в том году, показали, что звезды вблизи Солнца находились не там, где они должны были. Вместо этого они появились именно там, где, как предсказывала теория Эйнштейна, им следовало очутиться после их отклонения из-за влияния Солнца на пространство-время. Свет сам по себе подвержен гравитации.
Вскоре после смерти Шварцшильда тот же механизм был применен к еще более крупным объектам, галактикам, и предрек, что странные космические миражи, дуги или арки света, плавающие в центре далекой Вселенной, существуют. Это были образы еще более отдаленных галактик, чей свет исказился на пути к нам. Галактики, соответственно, действовали как космические линзы, позволяя нам видеть сквозь них еще дальше, глубже в историю нашей Вселенной. Такие линзы и миражи были обнаружены через шестьдесят с лишним лет после публикации работы Эйнштейна, в 1979 году. Теперь их можно увидеть почти на каждом изображении глубокого космоса, полученного с помощью телескопов. Попутно они показывают, что геометрическая интерпретация гравитации Эйнштейна работает не только в непосредственной близости от Солнца, но и во всем космическом пространстве.
Общая теория относительности дала нам новое видение Вселенной.
Вы, я, все и всё окружены всей той информацией, достигающей нас сейчас, в этот момент, из прошлого. Мы располагаемся в центре нашей видимой реальности, и все в этой реальности подчиняется закону Эйнштейна, кроме внутреннего содержимого черных дыр. То же самое относится к нашему пониманию материи и света: вся видимая Вселенная управляется теми же законами, что применяются в наших космических окрестностях. Материя, из которой мы состоим, свет, отражающийся от нашей кожи, – все они подчиняются тем же квантовым законам, что и повсюду в видимой Вселенной.
Связывание законов дальних галактик с законами близлежащих галактик привело к открытию того, что наша Вселенная имеет историю, что в своем прошлом она пережила Большой взрыв, что прошлые космические эпохи можно прочитать по звездам вплоть до той точки, в которой свет полностью перестает распространяться. Этот момент, это место в прошлом Вселенной, когда пространство стало достаточно обширным, чтобы позволить свету свободно передвигаться, мы назвали поверхностью последнего рассеяния. Когда она исчезла, Вселенная имела температуру 3000 °C. До этого момента вся Вселенная была светонепроницаемой. После него она стала прозрачной. То, что сегодня осталось от излучаемой ей температуры, называется космическим микроволновым фоновым или реликтовым излучением. Оно несет в себе отпечатки того, что существовало раньше.
Помимо этого прошлого, наблюдение за ночным небом может привести лишь к косвенным умозаключениям о том, что было когда-то. Однажды мы сможем использовать не зависящие от света датчики, работающие, скажем, на гравитационных волнах, – и тогда мы получим возможность непосредственно принимать более отдаленные сигналы, но мы еще не на том уровне развития. До тех пор нам необходимо воссоздать условия, существовавшие когда-то повсеместно в чрезвычайно крошечном объеме, которым была ограничена наша Вселенная, чтобы понять, что произошло.
Начиная с 70-х годов прошлого века, ускорители элементарных частиц занимаются именно этим. И они привели нас к беспрецедентному уровню доверия теориям, используемым для исследования мира частиц и света. Квантовые теории поля дали нам реалистичную картину того, из чего была создана и существует Вселенная, вплоть до миллиардной миллиардной миллиардной доли секунды после предполагаемого рождения известных нам пространства и времени, рождения, существование которого и предсказала общая теория относительности Эйнштейна.
И с 70-х же годов нам известно, что общая теория относительности ограничена, что существуют пределы того, что она может достичь. В местах ее просчетов необходима новая теория – квантовая теория гравитации и многое другое. В чем будет состоять эта теория, мы пока не знаем. Но знаем, что она должна быть. И испарение черных дыр – намек на ее существование.
Уменьшаясь в размерах, чтобы найти возможное местонахождение будущей теории, вы в конечном итоге попали в полностью новую реальность, реальность, состоящую из струн, бран и дополнительных измерений. Это был шаг в теорию струн, являющуюся, пожалуй, столь же популярной, как квантовая теория гравитации или теория всего, хотя от нее еще ожидаются прогнозы, которые могут быть проверены экспериментально.
Среди этих теорий струн и бран, иногда называемых М-теорией, робот закончил миссию экскурсовода по пространству, времени и за их пределами, так как вы достигли места, куда бессильны проникнуть даже самые мощные изобретенные человечеством суперкомпьютеры. Туда способен попасть только человеческий разум. Теперь вы наконец-то можете выяснить все, что хотите знать о мире, где вы живете.
Едва ли есть сомнения в том, что грядут как теоретические, так и экспериментальные изобретения, которые выйдут за границы сегодняшних знаний, открыв новые окна во Вселенную, поразительна большую, чем может представить себе любой из ныне живущих. Общая теория относительности и квантовая теория поля могут впоследствии стать такими же совершенными, как теория Ньютона, для этого необходимо узнать, почему и где они терпят поражение и какая главнее. Сейчас, однако, они ошибочны в том же смысле, как было и в случае с Ньютоном.
И благодаря этим ошибкам мы можем заглянуть в неизвестное.
Без Ньютона, не имея образца для сравнения, мы даже не заметили бы небольшого отклонения орбиты Меркурия.
Без несоответствия Меркурия расчетам Ньютона и без неспособности Ньютона объяснить, что происходит при очень быстром движении объектов, у нас не появилось бы гипотезы Эйнштейна о том, как ткань Вселенной взаимодействует с ее содержимым.
Без уравнений Эйнштейна мы, подобно нашим предкам, оставались бы в полном неведении того, что Вселенная имеет историю. Мы не построили бы картину того, каким образом Вселенная работает как единое целое.
Без этой картины мы бы не обнаружили темную материю. И темную энергию тоже.
Ошибки необходимы, чтобы найти правильный путь, чтобы двигаться вперед.
Я надеюсь, в следующий раз смотря на звезды и Луну, вы вспомните, как загадочна, обширна и прекрасна наша Вселенная, ибо, только расширяя наше коллективное знание, мечтая, охотясь за ее скрытыми красотами и тайнами, мы найдем путь к долгосрочному выживанию человеческого рода.