Предисловие

Всего четыре буквы отличают название этой книги от заголовка той, что была впервые опубликована в 1988 году. «Краткая история времени» 237 недель оставалась в списке бестселлеров лондонской «Санди таймс», каждый 750-й житель нашей планеты, взрослый или ребенок, приобрел ее. Замечательный успех для книги, посвященной самым сложным проблемам современной физики. Впрочем, это не только самые сложные, но и самые волнующие проблемы, потому что они адресуют нас к фундаментальным вопросам: что нам действительно известно о Вселенной, как мы обрели это знание, откуда произошла Вселенная и куда движется? Данные вопросы составляли главный предмет «Краткой истории времени» и стали фокусом настоящей книги. Спустя год после публикации «Краткой истории времени» начали поступать отклики от читателей всех возрастов и профессий со всего мира. Многие из них высказывали пожелание, чтобы увидела свет новая версия книги, которая, сохранив суть «Краткой истории времени», объясняла бы наиболее важные понятия более просто и занимательно. Хотя кое-кто, по-видимому, ожидал, что это будет «Пространная история времени», отзывы читателей недвусмысленно показывали: очень немногие из них жаждут познакомиться с объемистым трактатом, излагающим предмет на уровне университетского курса космологии. Поэтому, работая над «Кратчайшей историей времени», мы сохранили и даже расширили основополагающую суть первой книги, но постарались в то же время оставить неизменными ее объем и доступность изложения. Это и в самом деле кратчайшая история, поскольку некоторые сугубо технические аспекты нами опущены, однако, как нам представляется, данный пробел с лихвой восполнен более глубокой трактовкой материала, который поистине составляет сердцевину книги.

Мы также воспользовались возможностью обновить сведения и включить в книгу новейшие теоретические и экспериментальные данные. «Кратчайшая история времени» описывает прогресс, который был достигнут на пути создания полной объединенной теории за последнее время. В частности, она касается новейших положений теории струн, корпускулярно-волнового дуализма и выявляет связь между различными физическими теориями, свидетельствующую, что объединенная теория существует. Что же касается практических исследований, книга содержит важные результаты последних наблюдений, полученных, в частности, с помощью спутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer — «Исследователь фонового космического излучения») и космического телескопа Хаббла.

Около сорока лет тому назад Ричард Фейнман сказал: «Мы счастливы, что живем в эпоху, когда все еще совершаем открытия. Это сродни открытию Америки: подобное случается лишь однажды. Век, в который мы живем, — это век, в котором мы открываем фундаментальные законы природы». Сегодня мы ближе чем когда-либо подошли к постижению природы Вселенной. И авторам этой книги хотелось поделиться азартом открытий, показать новую картину реальности, которая еще только складывается.

Глава первая

РАЗМЫШЛЯЯ О ВСЕЛЕННОЙ

Мы живем в странной и замечательной Вселенной. Неординарное воображение требуется, чтобы оценить возраст ее, размеры, неистовство и даже красоту. Место, занимаемое людьми в этом безграничном космосе, может показаться ничтожным. И все же мы пытаемся понять, как устроен весь этот мир и как мы, люди, смотримся в нем.

Несколько десятилетий назад известный ученый (некоторые говорят, что это был Бертран Рассел) выступал с публичной лекцией по астрономии. Он рассказал, что Земля обращается вокруг Солнца, а оно, в свою очередь, — вокруг центра обширной звездной системы, называемой нашей Галактикой. В конце лекции маленькая пожилая леди, сидевшая в задних рядах, встала и заявила:

— Вы рассказывали нам здесь полную ерунду. В действительности мир — это плоская плита, покоящаяся на спине гигантской черепахи.

Улыбнувшись с чувством превосходства, ученый спросил:

— А на чем стоит черепаха?

— Вы очень умный молодой человек, очень, — ответила старая леди. — Она стоит на другой черепахе, и так дальше, до бесконечности!

Сегодня большинство людей нашло бы довольно смешной такую картину Вселенной, эту нескончаемую башню из черепах. Но что заставляет нас думать, будто мы знаем больше?

Забудьте на минуту то, что вы знаете — или думаете, что знаете, — о космосе. Вглядитесь в ночное небо. Чем представляются вам все эти светящиеся точки? Может, это крошечные огоньки? Нам трудно догадаться, чем они в действительности являются, потому что эта действительность слишком далека от нашего повседневного опыта.

Если вы часто наблюдаете за ночным небом, то, вероятно, замечали в сумерках над самым горизонтом ускользающую искорку света. Это Меркурий, планета, разительно отличающаяся от нашей собственной. Сутки на Меркурии длятся две трети его года. На солнечной стороне температура зашкаливает за 400°С, а глубокой ночью падает почти до — 200°С.

Но как бы ни отличался Меркурий от нашей планеты, еще труднее вообразить обыкновенную звезду — колоссальное пекло, ежесекундно сжигающее миллионы тонн вещества и разогретое в центре до десятков миллионов градусов.

Другая вещь, которая с трудом укладывается в голове, это расстояния до планет и звезд. Древние китайцы строили каменные башни, чтобы увидеть их поближе. Вполне естественно считать, что звезды и планеты находятся намного ближе, чем в действительности, — ведь в повседневной жизни мы никогда не соприкасаемся с громадными космическими расстояниями.

Расстояния эти настолько велики, что нет смысла выражать их в привычных единицах — метрах или километрах. Вместо них используются световые годы (световой год — путь, который свет проходит за год). За одну секунду луч света преодолевает 300 000 километров , так что световой год — это очень большое расстояние. Ближайшая к нам (после Солнца) звезда — Проксима Центавра — удалена примерно на четыре световых года. Это так далеко, что самый быстрый из проектируемых ныне космических кораблей летел бы к ней около десяти тысяч лет. Еще в древности люди пытались постичь природу Вселенной, но они не обладали возможностями, которые открывает современная наука, в частности математика. Сегодня мы располагаем мощными инструментами: мыслительными, такими как математика и научный метод познания, и технологическими, вроде компьютеров и телескопов. С их помощью ученые собрали воедино огромное количество сведений о космосе. Но что мы действительно знаем о Вселенной и как мы это узнали? Откуда она появилась? В каком направлении развивается? Имела ли начало, а если имела, что было до него? Какова природа времени? Придет ли ему конец? Можно ли вернуться назад во времени? Недавние крупные физические открытия, сделанные отчасти благодаря новым технологиям, предлагают ответы на некоторые из этих давних вопросов. Возможно, когда-нибудь эти ответы станут столь же очевидными, как обращение Земли вокруг Солнца, — или, быть может, столь же курьезными, как башня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) это покажет.

Глава вторая

РАЗВИТИЕ КАРТИНЫ МИРА

Хотя даже в эпоху Христофора Колумба многие полагали, что Земля плоская (и сегодня кое-кто все еще придерживается этого мнения), современная астрономия уходит корнями во времена древних греков. Около 340 г . до н. э. древнегреческий философ Аристотель написал сочинение «О небе», где привел веские аргументы в пользу того, что Земля скорее является сферой, а не плоской плитой.

Одним из аргументов стали затмения Луны. Аристотель понял, что их вызывает Земля, которая, проходя между Солнцем и Луной, отбрасывает тень на Луну. Аристотель заметил, что тень Земли всегда круглая. Так и должно быть, если Земля — сфера, а не плоский диск. Имей Земля форму диска, ее тень была бы круглой не всегда, но только в те моменты, когда Солнце оказывается точно над центром диска. В остальных случаях тень удлинялась бы, принимая форму эллипса (эллипс — это вытянутая окружность).

Свое убеждение в том, что Земля круглая, древние греки подкрепляли и другим доводом. Будь она плоской, идущее к нам судно сначала казалось бы крошечной, невыразительной точкой на горизонте. По мере его приближения проступали бы детали — паруса, корпус. Однако все происходит иначе. Когда судно появляется на горизонте, первое, что вы видите, — это паруса. Только потом вашему взгляду открывается корпус. То обстоятельство, что мачты, возвышающиеся над корпусом, первыми появляются из-за горизонта, свидетельствует о том, что Земля имеет форму шара (рис. 1).

Древние греки много внимания уделяли наблюдениям за ночным небом. Ко времени Аристотеля вот уже несколько столетий велись записи, отмечающие перемещение небесных светил.

Благодаря тому что Земля имеет форму шара, мачты и паруса судна появляются из-за горизонта раньше, чем корпус.

Было замечено, что среди тысяч видимых звезд, которые двигались все вместе, пять (не считая Луны) перемещались своим, особым манером. Иногда они отклонялись от обычного направления с востока на запад и пятились назад. Эти светила назвали планетами, что в переводе с греческого означает «блуждающий». Древние греки наблюдали только пять планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн, потому что только их можно увидеть невооруженным глазом. Сегодня мы знаем, почему планеты движутся по таким странным траекториям. Если звезды почти не перемещаются по отношению к Солнечной системе, планеты обращаются вокруг Солнца, поэтому их путь по ночному небу выглядит гораздо сложнее движения далеких звезд.

Аристотель считал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды вращаются вокруг нее по круговым орбитам. Он верил в это, полагая, в силу мистических причин, что Земля — центр Вселенной, а круговое движение — самое совершенное. Во втором веке нашей эры другой греческий ученый, Птолемей, развил эту идею, построив всеобъемлющую модель небесных сфер. Птолемей был увлеченным исследователем. «Когда я изучаю спирали движения звезд, — писал он, — я уже не касаюсь ногами земли».

В модели Птолемея Землю окружали восемь вращающихся сфер. Каждая следующая сфера больше предыдущей — подобно русским матрешкам. Земля помещается в центре. Что именно лежит за границей последней сферы, никогда не уточнялось, но это определенно было недоступно человеческому наблюдению. Так что самую дальнюю сферу считали своего рода границей, вместилищем Вселенной. Предполагалось, что звезды занимают на ней фиксированные места, так что при вращении этой сферы они движутся по небу все вместе, сохраняя взаиморасположение, — что мы и наблюдаем. На внутренних сферах размещаются планеты. В отличие от звезд, они не закреплены жестко, а движутся относительно своих сфер по небольшим окружностям, называемым эпициклами. Это вращение вкупе с вращением планетных сфер и делает движение планет относительно Земли таким сложным (рис. 2). Этим построением Птолемей сумел объяснить, почему наблюдаемые пути планет по звездному небу гораздо сложнее круговых.

Модель Птолемея позволяла с достаточной точностью предсказывать положения светил на небе. Но ради этого Птолемей вынужден был допустить, что в некоторые моменты Луна, следуя по своему пути, подходит к Земле вдвое ближе, чем в иное время. А это значит, что в такие моменты Луна должна казаться вдвое крупнее! Птолемей знал этот недостаток своей системы, и все же она получила широкое, хотя и не всеобщее признание. Христианская церковь сочла эту картину мира соответствующей Священному Писанию, поскольку она оставляла достаточно места для рая и ада за пределами сферы неподвижных звезд — немалое преимущество.

В модели Птолемея Земля является центром Вселенной, заключенным внутри восьми сфер, на которых размещаются все небесные тела.

Однако в 1514 г . польский каноник Николай Коперник предложил другую модель мира. (Сначала, возможно из страха прослыть еретиком, Коперник распространял свою теорию анонимно.) Революционная идея Коперника состояла в том, что не все небесные тела должны вращаться вокруг Земли. Он утверждал, что Земля и планеты обращаются по круговым орбитам вокруг неподвижного Солнца, покоящегося в центре Солнечной системы. Подобно модели Птолемея, теория Коперника работала хорошо, но все же не полностью соответствовала наблюдениям. Ее относительная простота — в сравнении моделью Птолемея, — казалось бы, сулила быстрый успех. Однако прошло почти столетие, прежде чем ее приняли всерьез[1] . Два астронома — немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей — открыто встали на сторону теории Коперника.

В 1609 г . Галилей начал наблюдать ночное небо при помощи изобретенного[2] им телескопа. Посмотрев на Юпитер, он обнаружил, что эту планету сопровождают несколько маленьких спутников, обращающихся вокруг нее. Это указывало, что не все небесные тела обращаются вокруг Земли, как считали Аристотель и Птолемей. В то же самое время Кеплер усовершенствовал теорию Коперника, предположив, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам. С учетом этой поправки предсказания теории неожиданно в точности совпали с наблюдениями. Открытия Галилея и Кеплера стали смертельными ударами для птолемеевской модели.

Хотя предположение об эллиптической форме орбит позволило усовершенствовать модель Коперника, сам Кеплер считал его лишь средством подгонки теории под наблюдения. Умом его владели предвзятые, умозрительные идеи об устройстве природы. Подобно Аристотелю, Кеплер считал эллипсы менее совершенными фигурами, чем окружности. Мысль о том, что планеты движутся по таким несовершенным орбитам, настолько претила ему, что он не признавал ее окончательной истиной. Беспокоило Кеплера и другое: представление об эллиптических орбитах было несовместимо с его идеей о том, что планеты обращаются вокруг Солнца под действием магнитных сил. И хотя тезис Кеплера о том, что магнитные силы обусловливают вращение планет, оказался ошибочным, нельзя не признать прозрением ту его мысль, что некая сила ответственна за движение небесных тел.

Правильное объяснение того, почему планеты обращаются вокруг Солнца, появилось намного позже, в 1687 г ., когда Исаак Ньютон опубликовал свои «Математические начала натуральной философии», вероятно самый значительный из когда-либо изданных физических трудов. В «Началах» Ньютон сформулировал закон, согласно которому всякое неподвижное тело остается в покое, пока это состояние не нарушит какая-либо сила, и описал, как под воздействием силы тело движется или меняет свое движение.

Итак, почему же планеты движутся по эллипсам вокруг Солнца? Ньютон заявил, что за это ответственна специфическая сила, и утверждал, что это та же самая сила, что вынуждает предметы падать на Землю, а не оставаться в покое, когда мы их отпускаем. Он назвал эту силу гравитацией. (Прежде, до Ньютона, английское слово gravity означало серьезное настроение, а также свойство предметов быть тяжелыми.) Ньютон также разработал математический аппарат, позволяющий количественно описать, как реагируют тела на действие сил, подобных гравитации, и решил получившиеся уравнения. Таким образом, Ньютон сумел доказать, что притяжение Солнца вынуждает Землю и другие планеты двигаться по эллиптическим орбитам — в точном соответствии с предсказанием Кеплера!

Ньютон провозгласил, что его законы применимы ко всему во Вселенной, от падающего яблока до звезд и планет. Впервые в истории движение планет объяснялось действием тех же законов, что определяют движение на Земле, и этим было положено начало современной физике и астрономии.

После отказа от Птолемеевых сфер не оставалось никаких причин думать, что Вселенная имеет естественные границы (очерченные самой дальней сферой). И поскольку положения звезд казались неизменными, если не считать их суточного движения по небу, вызванного вращением Земли вокруг своей оси, естественно было предположить, что звезды — это объекты, подобные нашему Солнцу, только очень-очень далекие. И теперь уже не только Земля, но и Солнце не могло больше претендовать на роль центра мира. Вся наша Солнечная система оказывалась, по всей видимости, не более чем рядовым образованием во Вселенной.

Глава третья

СУТЬ НАУЧНЫХ ТЕОРИЙ

Чтобы говорить о природе Вселенной и рассуждать о том, имеет ли она начало или конец, следует уяснить, что представляет собой научная теория. Мы будем исходить из того наивного представления, что теория не более чем модель Вселенной или некоторой ее части, а также набор правил, которые помогают соотнести абстрактные величины и практические наблюдения. Теория существует только в наших умах и не имеет иной реальности (что бы ни означало это слово).

Любая теория хороша, если она удовлетворяет двум требованиям:

точно описывает большой класс наблюдений на основе модели, содержащей всего несколько произвольных элементов;

позволяет делать точные предсказания о результатах будущих наблюдений.

Например, Аристотель признавал теорию Эмпедокла, согласно которой все состоит из четырех элементов: земли, воздуха, огня и воды. Это была достаточно простая теория, но она не позволяла делать никаких определенных предсказаний.

С другой стороны, теория всемирного тяготения Ньютона основана на еще более простой модели, согласно которой тела притягивают друг друга с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Но несмотря на свою простоту, эта теория с высокой точностью предсказывает движение Солнца, Луны и планет.

Любая физическая теория всегда условна, в том смысле, что она является лишь предположением: вы никогда не сумеете доказать ее. Сколько бы раз результаты экспериментов ни совпадали с предсказаниями теории, вы никогда не можете быть уверены, что в следующий раз между ними не возникнет противоречия. С другой стороны, одно-единственное наблюдение, не согласующееся с предсказаниями теории, способно ее опровергнуть[3].

Как подчеркивал философ науки Карл Поппер, хорошая теория отличается тем, что делает множество предсказаний, которые в принципе могут быть опровергнуты или, как говорят философы, фальсифицированы наблюдениями. Каждый раз, когда результаты новых экспериментов согласуются с предсказаниями теории, она выживает и наше доверие к ней увеличивается; но, если хоть одно наблюдение противоречит теории, мы должны ее отбросить или пересмотреть.

По крайней мере, предполагается, что так должно быть, однако вы всегда можете подвергнуть сомнению компетентность того, кто выполнял наблюдения.

На практике новая теория зачастую является развитием предыдущей. Например, очень точные наблюдения за планетой Меркурий обнаружили небольшие расхождения между ее реальным движением и тем, что предсказывает теория всемирного тяготения Ньютона. Предсказания общей теории относительности Эйнштейна немного расходятся с выводами теории Ньютона. То, что предсказания Эйнштейна, в отличие от ньютоновских, совпали с наблюдениями, стало одним из важнейших подтверждений новой теории. Однако мы по-прежнему используем теорию Ньютона для практических задач, поскольку различие между ее предсказаниями и предсказаниями общей теории относительности очень невелики. (А кроме того, с теорией Ньютона намного проще работать, чем с теорией Эйнштейна!)

Конечная цель науки состоит в том, чтобы дать миру единую теорию, которая описывает всю Вселенную. Однако на практике ученые делят эту задачу на две части. Первую часть составляют законы, описывающие, как Вселенная изменяется со временем. (Если мы знаем состояние Вселенной в определенный момент времени, то эти физические законы скажут нам, каково будет ее состояние впоследствии.) Ко второй части относятся вопросы, касающиеся первоначального состояния Вселенной. Некоторые люди убеждены, что наука должна заниматься только первой частью, оставив вопрос о начальном состоянии метафизике или религии. Они говорят, что Бог, будучи всемогущим, мог дать начало Вселенной любым угодным Ему образом. Возможно и так, но тогда Он также мог заставить ее развиваться совершенно произвольным образом. Однако, похоже, что Творец предписал ей развиваться в строгом соответствии с определенными законами. Поэтому не разумнее ли предположить, что некие законы управляли и начальным состоянием Вселенной?

Оказывается, очень трудно одним махом изобрести теорию, описывающую всю Вселенную. Вместо этого мы разбиваем задачу на части и создаем множество частных теорий.

Каждая из этих теорий описывает и предсказывает некоторый ограниченный класс наблюдений, пренебрегая влиянием других соотношений или представляя их простыми наборами чисел. Возможно, этот подход является в корне неправильным. Если все во Вселенной взаимозависимо самым фундаментальным образом, то может статься, что нельзя подойти к полному решению, исследуя части проблемы по отдельности. Тем не менее, действуя таким способом в прошлом, ученые достигли известных успехов. Классический пример — все та же теория Ньютона, которая ставит гравитационное взаимодействие между двумя телами в зависимость только от одного их качества — массы, не принимая в расчет, из чего они сложены. Другими словами, нам не нужна теория внутреннего строения Солнца и планет для расчета их орбит[4].

Сегодня ученые описывают Вселенную в терминах двух основных частных теорий — общей теории относительности и квантовой механики. Это величайшие достижения разума первой половины двадцатого столетия. Общая теория относительности описывает действие гравитации и крупномасштабную структуру Вселенной, то есть структуру на масштабах от нескольких километров до миллиона миллионов миллионов миллионов (единица с двадцатью четырьмя нулями) километров — размера наблюдаемой Вселенной[5]. Квантовая механика, напротив, имеет дело с предельно малыми масштабами, порядка миллионной доли от миллионной доли сантиметра (рис. 3). Увы, но известно, что эти две теории несовместимы друг с другом: вместе они не могут быть правильны. Одной из главных задач сегодняшней физики и главной темой этой книги является поиск новой теории — квантовой теории гравитации, которая включит в себя обе нынешние теории. Пока еще мы не располагаем такой теорией, и, быть может, нам предстоит еще долгий путь к ней, но нам уже известны многие из тех свойств, которыми она должна обладать. И мы покажем далее, что уже знаем солидное количество предсказаний, которые должна делать квантовая теория гравитации.

В первой половине двадцатого века физики раздвинули пределы исследуемых явлений от привычного нам мира, подчиняющегося законам Ньютона, до микро— и макрокосма. 

Если вы верите, что Вселенная не хаотична, а управляется определенными законами, то должна быть возможность в конечном счете свести все частные теории в одну полную объединенную теорию, которая опишет все во Вселенной. Но поиски общей теории заключают в себе фундаментальный парадокс. Принципы создания научных теорий, сформулированные выше, предполагают, что мы рациональные существа, которые вольны наблюдать Вселенную по своему разумению и делать логические выводы из того, что мы видим. В таком случае напрашивается предположение, что мы могли бы подбираться все ближе к законам, которые управляют нашей Вселенной. И если бы действительно существовала полная объединенная теория, она, возможно, предопределила бы наши собственные действия. А значит, и результаты наших поисков самой объединенной теории! И почему она должна предопределить, что мы сделаем правильные заключения из того, что видим? Не может ли оказаться, что с таким же успехом мы сделаем неправильные выводы? Или вообще никаких выводов?

Единственный ответ, который можно дать на эти вопросы, основан на принципе естественного отбора Дарвина. В любой популяции самовоспроизводящихся организмов неизбежны вариации в генетическом веществе и воспитании различных особей. Эти различия подразумевают, что некоторые индивидуумы способны вернее других судить об окружающем мире и действовать в соответствии со своими суждениями. Подобные индивидуумы с большей вероятностью выживут и дадут потомство, а стало быть, их поведение и образ мышления станет доминировать. Не подлежит сомнению, что в прошлом то, что мы называем интеллектом и научным мышлением, давало преимущества в борьбе за выживание. Не совсем ясно, однако, дают ли они подобное преимущество сегодня. Наши научные открытия способны уничтожить всех нас, и, даже если этого не произойдет, полная объединенная теория не увеличит наших шансов на выживание. Однако, если Вселенная развивалась по определенным законам, мы могли бы ожидать, что способность к мышлению, которой наделил нас естественный отбор, поможет нам также в поисках полной объединенной теории и не приведет нас в конечном счете к ложным заключениям.

Частные теории, которыми мы уже располагаем, достаточны для того, чтобы делать точные предсказания во всех ситуациях, за исключением самых экстремальных. Поэтому поиск окончательной теории Вселенной, похоже, трудно оправдать соображениями практической пользы. (Стоит отметить тем не менее, что подобный аргумент мог использоваться и против теории относительности и квантовой механики, а они дали нам ядерную энергию и микроэлектронную революцию!) Открытие полной объединенной теории может и не помочь выживанию человеческого рода. Оно может даже не отразиться на нашем образе жизни. Но с самого зарождения цивилизации люди отказывались считать явления лишенными взаимосвязей и необъяснимыми. Они жаждали постичь лежащий в основе всего миропорядок. Сегодня мы все еще стремимся узнать, откуда и каким образом появились мы в этом мире. Фундаментальная тяга человечества к знанию — достаточное основание для продолжения поисков. И мы не удовольствуемся меньшим, чем полное постижение Вселенной, в которой мы живем.

Глава четвертая

ВСЕЛЕННАЯ НЬЮТОНА

Наши нынешние представления о движении тел восходят к Галилею и Ньютону. До них люди верили Аристотелю, утверждавшему, что естественное состояние тела — покой, а движется оно только под влиянием силы или импульса. Отсюда следовало, что тяжелое тело должно падать быстрее легкого, потому что оно сильнее притягивается к Земле.

Аристотелевская традиция провозглашала также, что все законы, управляющие Вселенной, можно вывести путем чистого умозрения, без экспериментальной проверки. Поэтому до Галилея никто не дал себе труда удостовериться, действительно ли тела различной массы падают с разной скоростью.

Говорят, что Галилей демонстрировал ложность утверждения Аристотеля, бросая предметы с накренившейся башни в итальянском городе Пиза. Эта история, скорее всего, выдумана, но Галилей все же делал нечто подобное: он скатывал шары разной массы по гладкой наклонной плоскости. Это аналогично вертикальному падению тел, но благодаря меньшим скоростям в подобном эксперименте легче выполнять наблюдения.

Измерения Галилея показали, что скорость движения тел возрастала одинаково независимо от их массы. Например, если вы пустите шар по наклонной плоскости, которая понижается на один метр каждые десять метров, то независимо от массы через секунду он будет двигаться со скоростью примерно один метр в секунду, через две секунды — два метра в секунду и так далее.

Конечно, тело из свинца падает быстрее перышка, но только потому, что падение пера замедляется сопротивлением воздуха. Два тела, не испытывающих существенного воздушного сопротивления, например два свинцовых груза разной массы, будут падать с одним и тем же ускорением. (Мы скоро узнаем почему.) На Луне, где нет воздуха, замедляющего падение, астронавт Дэвид Р. Скотт провел эксперимент, бросая перышко и кусок свинца, и убедился, что они одновременно упали на грунт.

Ньютон положил измерения Галилея в основание своих законов движения. В экспериментах Галилея тело скатывалось с наклонной плоскости под действием постоянной силы, придававшей ему постоянное ускорение. Этим демонстрировалось, что реальный эффект от действия силы — изменение скорости тела, а не приведение его в движение, как считалось ранее. Также отсюда следовало, что, пока тело не подвергается действию какой-либо силы, оно перемещается по прямой линии с постоянной скоростью. Данная идея, впервые отчетливо высказанная в «Началах» (1687), известна как первый закон Ньютона[6].

Поведение тела под действием силы описывается вторым законом Ньютона. Он утверждает, что тело будет ускоряться, то есть изменять свою скорость в темпе, пропорциональном величине приложенной силы. (Например, ускорение увеличится вдвое, если вдвое возрастет сила.) Кроме того, ускорение тела тем меньше, чем больше его масса, то есть количество вещества. (Одна и та же сила, действующая на тело вдвое большей массы, дает половинное ускорение.) Всем, кто имел дело с автомобилями, известно: чем мощнее двигатель, тем больше ускорение, а при одной и той же мощности двигателя более тяжелая машина ускоряется медленнее.

В дополнение к законам движения, описывающим реакцию тел на действие сил, ньютоновская теория тяготения описывает, как определить величину одного конкретного вида сил — гравитации. Как уже было сказано, согласно этой теории любые два тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам. То есть сила притяжения между двумя телами возрастает вдвое, если удвоить массу одного из тел, например тела А (рис. 4). Это вполне естественно, поскольку можно рассматривать новое тело А как два тела, каждое из которых обладает первоначальной массой и притягивает тело В с первоначальной силой. Таким образом, полная сила взаимного притяжения тел А и В будет вдвое больше первоначальной. А если бы масса одного из тел возросла в шесть раз, или масса одного вдвое, а другого — втрое, то сила притяжения между ними выросла бы в шесть раз.

Теперь можно понять, почему все тела падают с одинаковым ускорением. Согласно закону всемирного тяготения то из двух тел, чья масса вдвое больше, вдвое сильнее притягивается Землей. Но в соответствии со вторым законом Ньютона из-за вдвое большей массы его ускорение окажется вдвое меньше на единицу силы. Таким образом, эти два эффекта компенсируют друг друга, и ускорение свободного падения не зависит от массы тела.

Закон тяготения Ньютона также гласит, что чем дальше друг от друга находятся тела, тем слабее их притяжение. По Ньютону, тяготение далекой звезды будет ровно вчетверо слабее притяжения такой же звезды, находящейся вдвое ближе. Этот закон позволяет с высочайшей точностью предсказывать траектории движения Земли, Луны и планет. Если бы гравитационное притяжение звезды уменьшалось с расстоянием быстрее или медленнее, орбиты планет не были бы эллиптическими, а имели бы форму спирали, сходящейся к Солнцу или расходящейся от него.

Если масса одного из тел возрастает в два раза, удваивается и сила притяжения между телами. 

Важнейшее различие между учением Аристотеля и идеями Галилея и Ньютона состоит в том, что Аристотель считал покой естественным состоянием любого тела, к которому оно стремится, если не испытывает действия некоей силы или импульса. В частности, Аристотель полагал, что Земля пребывает в состоянии покоя. Но из законов Ньютона следует, что нет никакого уникального стандарта покоя.

Можно сказать, что тело А находится в состоянии покоя, а тело В перемещается относительно него с постоянной скоростью, или что тело В пребывает в покое, а тело А перемещается, и оба утверждения будут одинаково верны.

Например, если забыть на мгновение, что Земля вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца, то в равной мере можно говорить, что Земля находится в состоянии покоя, а поезд движется по ней на север со скоростью девяносто миль в час или что поезд находится в состоянии покоя, а Земля движется на юг со скоростью девяносто миль в час.

Если провести в поезде эксперименты с движущимися телами, все законы Ньютона подтвердятся. Например, играя в пинг-понг в вагоне поезда, убеждаешься, что шарик повинуется законам Ньютона точно так же, как и шарик на столе у дороги. Так что невозможно узнать, что именно движется — поезд или Земля.

Как проверить, кто прав — Ньютон или Аристотель? Вот один из возможных экспериментов. Вообразите, что вы находитесь внутри закрытого контейнера и не знаете, стоит ли он на полу вагона в движущемся поезде или на твердой поверхности Земли, стандарте покоя согласно Аристотелю. Можно ли определить, где вы? Если можно, Аристотель, вероятно, был прав: состояние покоя на Земле является особым. Однако это невозможно. Эксперименты, выполненные внутри контейнера в движущемся поезде, будут протекать точно так же, как и те, что проделаны внутри контейнера на «неподвижном» перроне (мы считаем, что поезд не испытывает толчков, не поворачивает и не тормозит). Играя в пинг-понг в вагоне поезда, можно обнаружить, что шарик ведет себя точно так же, как и шарик на столе у дороги. И если, находясь внутри контейнера, вы играете в пинг-понг, при разных скоростях поезда относительно Земли — 0,50 или 90 миль в час — шарик всегда будет вести себя одинаково. Так устроен мир, что и отражено в уравнениях законов Ньютона: не существует способа узнать, что движется — поезд или Земля. Понятие движения имеет смысл, только если оно задано относительно других объектов.

Действительно ли существенно, кто прав — Аристотель или Ньютон? Идет ли речь о различии взглядов, философских систем, или это проблема, важная для науки? Отсутствие абсолютного стандарта покоя имеет в физике далеко идущие последствия: из него вытекает, что нельзя определить, случились ли два события, которые имели место в разное время, в одном и том же месте.

Чтобы уяснить это, давайте предположим, что некто в поезде вертикально бросает теннисный шарик на стол. Шарик отскакивает вверх и через секунду снова ударяет в то же место на поверхности стола. Для человека, бросившего шарик, расстояние между точками первого и второго касания будет равно нулю. Но для того, кто стоит снаружи вагона, два касания будут разделены приблизительно сорока метрами, потому что именно столько пройдет поезд между двумя отскоками шарика (рис. 5). Согласно Ньютону оба человека имеют равное право считать, что находятся в состоянии покоя, так что обе точки зрения одинаково приемлемы. Ни один из них не имеет преимущества перед другим, в противоположность тому, что считал Аристотель. Места, где наблюдаются события, и расстояния между ними различны для человека в поезде и человека на платформе, и нет никаких причин предпочесть одно наблюдение другому.

Расстояние, которое преодолевает тело, — и его путь — могут по-разному оцениваться разными наблюдателями. 

Ньютона очень беспокоило отсутствие абсолютных положений, или абсолютного пространства, как принято было говорить, поскольку это не согласовывалось с его идеей абсолютного Бога. Фактически он отказался принять отсутствие абсолютного пространства, несмотря на то что его законы подразумевали это. За эту иррациональную веру его критиковали многие, особенно епископ Беркли, философ, полагавший, что все материальные тела, пространство и время — иллюзия. Когда знаменитого доктора Джонсона ознакомили с мнением Беркли, он вскричал: «Я опровергаю это так!» — и ударил ногой по большому камню.

И Аристотель, и Ньютон верили в абсолютное время. То есть полагали, что можно однозначно измерить интервал времени между двумя событиями и полученное значение будет одним и тем же, кто бы его ни измерял, если использовать точные часы. В отличие от абсолютного пространства, абсолютное время согласовывалось с законами Ньютона. И большинство людей считает, что это соответствует здравому смыслу.

Тем не менее в двадцатом столетии физики были вынуждены пересмотреть представления о времени и пространстве. Как мы убедимся в дальнейшем, ученые обнаружили, что интервал времени между двумя событиями, подобно расстоянию между отскоками теннисного шарика, зависит от наблюдателя. Физики также открыли, что время не является совершенно независимым от пространства.

Ключом к прозрению стало новое понимание свойств света. Свойства эти, казалось бы, противоречат нашему опыту, но наш здравый смысл, исправно служащий нам, когда мы имеем дело с яблоками или планетами, которые движутся сравнительно медленно, перестает работать в мире околосветовых скоростей.

Глава пятая

ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ

Тот факт, что свет распространяется с конечной, хотя и очень высокой, скоростью, был обнаружен в 1676 г . датским астрономом Оле Христиансеном Рёмером. Наблюдая за спутниками Юпитера, можно заметить, что время от времени они исчезают из виду, проходя позади гигантской планеты. Такие затмения в системе спутников Юпитера должны происходить с одинаковыми интервалами, однако Рёмер установил, что промежутки между ними различны. Может быть, скорость движения спутников по орбите то уменьшается, то увеличивается? Рёмер нашел другое объяснение.

Если бы свет распространялся с бесконечной скоростью, то на Земле эти затмения наблюдались бы через равные интервалы времени, в те самые моменты, когда они происходят, — подобно тиканью космических часов. Приближение Юпитера к Земле или его удаление не имело бы никакого значения, так как свет любое расстояние преодолевал бы моментально.

Теперь представим, что свет распространяется с конечной скоростью. Тогда затмения должны наблюдаться спустя некоторое время после их наступления. Эта задержка зависит от скорости света и от расстояния до Юпитера. Если бы расстояние между Юпитером и Землей оставалось неизменным, то и затмения отмечались бы всегда через равные интервалы. Однако, когда расстояние между Землей и Юпитером сокращается, «сигнал» о каждом следующем затмении преодолевает все меньшее и меньшее расстояние и достигает нашей планеты со все большим «опережением графика». По той же причине, когда Юпитер удаляется от Земли, мы видим, что затмения все больше запаздывают (рис. 6). Величина опережения и запаздывания зависит от скорости света, что позволяет ее измерить.

Наблюдаемые моменты затмений спутников Юпитера зависят как от действительного времени затмений, так и от времени, в течение которого свет преодолевает расстояние от Юпитера до Земли. Так, создается впечатление, будто затмения случаются чаще, когда Юпитер сближается с Землей, и реже — когда удаляется от нее. Этот эффект здесь преувеличен для наглядности.

Именно это и сделал Рёмер. Он заметил, что во время сближения Земли и Юпитера затмения наступают раньше, а во время их удаления друг от друга — позже, и использовал эту разницу для вычисления скорости света. Однако его оценки изменения расстояния от Земли до Юпитера были не очень точными, из-за чего он получил величину скорости света 225 тысяч километров в секунду, отличную от современной — 300 тысяч километров в секунду. И все же достижение Рёмера достойно восхищения. Ведь он не только установил, что скорость света конечна, и вычислил ее величину, но и сделал это за одиннадцать лет до публикации «Начал» Ньютона.

Удовлетворительной теории распространения света не существовало до 1865 г ., когда английский физик Максвелл сумел объединить до того обособленные описания электрических и магнитных сил. Уравнения Максвелла предсказывали возможность волнообразных возмущений сущности, которую он назвал электромагнитным полем. Они должны были распространяться с постоянной скоростью, подобно ряби на поверхности пруда. Вычислив эту скорость, Максвелл обнаружил, что она точно совпадает со скоростью света!

Сегодня мы знаем, что волны Максвелла воспринимаются человеческим глазом как видимый свет, если их длина находится в интервале от сорока до восьмидесяти миллионных долей сантиметра. [Длиной волны называют расстояние между двумя ее гребнями или впадинами (рис. 7).] Волны, длина которых короче, чем у видимого света, теперь называют ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-излучением. Волны, превосходящие по длине видимый свет, — это радиоволны (метр или больше), микроволны (несколько сантиметров) и инфракрасное излучение (больше десятитысячной доли сантиметра).

Длиной волны называют расстояние между двумя ее гребнями или впадинами. 

Вытекающее из теории Максвелла положение о том, что радио— и световые волны распространяются с некоторой постоянной скоростью, было трудно согласовать с теорией Ньютона. В отсутствие абсолютного стандарта покоя не может быть и никакого универсального соглашения о скорости объекта. Чтобы понять это, снова представьте себя играющим в пинг-понг в поезде. Если вы направляете шарик к противнику со скоростью 10 миль в час , то для наблюдателя на платформе скорость шарика составит 100 миль в час: 10 — скорость шарика относительно поезда плюс 90 — скорость поезда относительно платформы. Какова скорость шарика — 10 или 100 миль в час? А как вы будете ее определять? Относительно поезда? Относительно Земли? Без абсолютного стандарта покоя вы не можете определить абсолютную скорость шарика. Одному и тому же шарику можно приписать любую скорость в зависимости от того, относительно какой системы отсчета она измеряется (рис. 8). Согласно теории Ньютона то же самое должно относиться и к свету. Так какой же тогда смысл несет в себе утверждение теории Максвелла о том, что световые волны всегда распространяются с одинаковой скоростью?

Чтобы примирить теорию Максвелла с законами Ньютона, была принята гипотеза о том, что повсюду, даже в вакууме, в «пустом» пространстве, существует некая среда, получившая название «эфир». Идея эфира имела особую привлекательность для тех ученых, которые считали, что, подобно морским волнам, требующим воды, или звуковым колебаниям, требующим воздуха, волнам электромагнитной энергии нужна некая среда, в которой они могли бы распространяться. С этой точки зрения световые волны распространяются в эфире так же, как звуковые волны в воздухе, и их скорость, выводимая из уравнений Максвелла, должна измеряться относительно эфира. В таком случае разные наблюдатели фиксировали бы разные значения скорости света, но относительно эфира она оставалась бы постоянной.

Эту идею можно проверить. Представьте себе свет, испускаемый неким источником. Согласно теории эфира свет распространяется в эфире с постоянной скоростью. Если вы движетесь сквозь эфир в сторону источника, скорость, с которой к вам приближается свет, будет складываться из скорости движения света в эфире и вашей скорости относительно эфира. Свет будет приближаться к вам быстрее, чем если бы вы были неподвижны или, например, двигались в каком-то другом направлении. Однако это различие в скорости очень трудно измерить из-за того, что скорость света многократно больше той скорости, с которой вы могли бы двигаться навстречу источнику.

В 1887 г. Альберт Майкельсон (который впоследствии стал первым американским лауреатом Нобелевской премии по физике) и Эдвард Морли выполнили очень тонкий и трудный эксперимент в Школе прикладных наук в Кливленде. Они решили воспользоваться тем, что раз Земля обращается вокруг Солнца со скоростью около 30 километров в секунду, то и их лаборатория должна двигаться сквозь эфир с этой относительно высокой скоростью. Конечно, никто не знал, перемещается ли эфир относительно Солнца, а если да, то в каком направлении и с какой скоростью. Но, повторяя измерения в разное время года, когда Земля находится в различных точках своей орбиты, они надеялись учесть этот неизвестный фактор. Майкельсон и Морли разработали эксперимент, в котором скорость света в направлении движения Земли через эфир (когда мы движемся в сторону источника света) сравнивалась со скоростью света под прямым углом к этому направлению (когда мы не приближаемся к источнику). К несказанному их удивлению, они обнаружили, что скорость в обоих направлениях в точности одинакова!

Согласно теории относительности различающиеся результаты измерений скорости тела, полученные разными наблюдателями, одинаково справедливы. 

Между 1887 и 1905 гг. было предпринято несколько попыток спасти теорию эфира. Наиболее интересными оказались работы голландского физика Хендрика Лоренца, который попробовал объяснить результат эксперимента Майкельсона—Морли сжатием предметов и замедлением хода часов при передвижении сквозь эфир. Однако в 1905 г . доселе неизвестный сотрудник швейцарского патентного бюро Альберт Эйнштейн показал, что всякая надобность в эфире отпадает, если отказаться от идеи абсолютного времени (вы скоро узнаете почему). Ведущий французский математик Анри Пуанкаре высказал похожие соображения несколькими неделями позже. Аргументы Эйнштейна были ближе к физике, чем выкладки Пуанкаре, который рассматривал проблему как чисто математическую и до последнего своего дня не принимал эйнштейновскую интерпретацию теории.

Фундаментальный постулат Эйнштейна, именуемый принципом относительности, гласит, что все законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости. Это было верно для законов движения Ньютона, но теперь Эйнштейн распространил эту идею также и на теорию Максвелла. Другими словами, раз теория Максвелла объявляет скорость света постоянной, то любой свободно движущийся наблюдатель должен фиксировать одно и то же значение независимо от скорости, с которой он приближается к источнику света или удаляется от него. Конечно, эта простая идея объяснила — без привлечения эфира или иной привилегированной системы отсчета — смысл появления скорости света в уравнениях Максвелла, однако из нее также вытекал ряд удивительных следствий, которые зачастую противоречили интуиции.

Например, требование, чтобы все наблюдатели сошлись в оценке скорости света, вынуждает изменить концепцию времени. Согласно теории относительности наблюдатель, едущий на поезде, и тот, что стоит на платформе, разойдутся в оценке расстояния, пройденного светом. А поскольку скорость есть расстояние, деленное на время, единственный способ для наблюдателей прийти к согласию относительно скорости света — это разойтись также и в оценке времени. Другими словами, теория относительности положила конец идее абсолютного времени! Оказалось, что каждый наблюдатель должен иметь свою собственную меру времени и что идентичные часы у разных наблюдателей не обязательно будут показывать одно и то же время.

Теория относительности не нуждается в эфире, присутствие которого, как показал эксперимент Майкельсона—Морли, невозможно обнаружить. Вместо этого теория относительности заставляет нас существенно изменить представления о пространстве и времени. Мы должны признать, что время не полностью отделено от пространства, но составляет с ним некую общность — пространство-время. Понять это нелегко. Даже сообществу физиков понадобились годы, чтобы принять теорию относительности. Она — свидетельство богатого воображения Эйнштейна, его способности к построению теорий, его доверия к собственной логике, благодаря которому он делал выводы, не пугаясь тех, казалось бы, странных заключений, которые порождала теория.

Всем хорошо известно, что положение точки в пространстве можно описать тремя числами, или координатами. Например, можно сказать, что некая точка в комнате находится в семи футах от одной стены, в трех футах от другой и на высоте пяти футов над полом. Или мы можем указать точку, задав ее географические широту и долготу, а также высоту над уровнем моря (рис. 9).

Говоря, что пространство имеет три измерения, мы подразумеваем, что положение точки в нем можно передать с помощью трех чисел — координат. Если мы введем в наше описание время, то получим четырехмерное пространство-время. 

Можно использовать любые три подходящие координаты, однако каждая система координат имеет ограниченную область применения. Не слишком-то удобно определять положение Луны относительно центра Лондона — столько-то миль на север и столько-то к западу от площади Пиккадилли и на столько-то футов выше уровня моря. Вместо этого можно задать положение Луны, указав ее расстояние от Солнца, удаление от плоскости планетных орбит, а также угол между прямой Луна—Солнце и линией, соединяющей Солнце с ближайшей к нам звездой, Проксимой Центавра. Но даже эти координаты не особенно удобны для указания местоположения Солнца в нашей Галактике или самой Галактики в Местной группе галактик. На самом деле Вселенную можно описывать в терминах своего рода перекрывающихся «заплат». В пределах каждой заплаты для задания положения точки правомерно использовать свою систему координат.

В пространстве-времени теории относительности любое событие — то есть нечто случающееся в определенной точке пространства в определенное время — можно задать четырьмя координатами. Выбор координат опять-таки произволен: можно использовать любые три четко заданные пространственные координаты и любой способ измерения времени. Но в теории относительности нет принципиального различия между пространственными и временными координатами, как нет его между любыми двумя пространственными координатами. Можно выбрать новую систему координат, в которой, скажем, первая пространственная координата будет неким сочетанием прежних первой и второй пространственных координат. Например, положение точки на Земле можно было бы выразить не расстоянием в милях к северу и к западу от площади Пиккадилли, а, скажем, расстоянием к северо-востоку и к северо-западу. Аналогично можно использовать новую временн у ю координату, задав ее как старое время (в секундах) плюс расстояние (в световых секундах) к северу от площади Пиккадилли.

Другое известное следствие теории относительности — эквивалентность массы и энергии, выраженная знаменитым уравнением Эйнштейна Е = тс2 (где Е— энергия, т — масса тела, с — скорость света). Ввиду эквивалентности энергии и массы кинетическая энергия, которой материальный объект обладает в силу своего движения, увеличивает его массу. Иными словами, объект становится труднее разгонять.

Этот эффект существенен только для тел, которые перемещаются со скоростью, близкой к скорости света. Например, при скорости, равной 10% от скорости света, масса тела будет всего на 0,5% больше, чем в состоянии покоя, а вот при скорости, составляющей 90% от скорости света, масса уже более чем вдвое превысит нормальную. По мере приближения к скорости света масса тела увеличивается все быстрее, так что для его ускорения требуется все больше энергии. Согласно теории относительности объект никогда не сможет достичь скорости света, поскольку в данном случае его масса стала бы бесконечной, а в силу эквивалентности массы и энергии для этого потребовалась бы бесконечная энергия. Вот почему теория относительности навсегда обрекает любое обычное тело двигаться со скоростью, меньшей скорости света. Только свет или другие волны, не имеющие собственной массы, способны двигаться со скоростью света.

Теория относительности, выдвинутая Эйнштейном в 1905 г., называется «специальной» или «частной». Она очень успешно объяснила неизменность скорости света для всех наблюдателей и описала явления при движении со скоростями, близкими к скорости света, но оказалась несовместима с теорией тяготения Ньютона.

Теория Ньютона гласит, что в любой момент тела притягивают друг друга с силой, которая зависит от расстояния между ними в это время. Следовательно, если кто-то переместит одно из тел, сила притяжения изменится мгновенно.

Если бы, скажем, Солнце внезапно исчезло, то согласно теории Максвелла Земля не погружалась бы во мрак еще 8 минут (именно столько требуется солнечному свету, чтобы достичь нас). Однако по теории Ньютона Земля, освободившись от притяжения Солнца, сошла бы с орбиты немедленно. Таким образом, гравитационный эффект исчезновения Солнца достиг бы нас с бесконечной скоростью, а не со скоростью света или медленнее, как предусматривает специальная теория относительности.

Между 1908 и 1914 гг. Эйнштейн предпринял множество неудачных попыток примирить теорию тяготения со специальной теорией относительности. Наконец, в 1915 г ., он предложил еще более революционную доктрину, известную теперь как общая теория относительности.

Глава шестая

ИСКРИВЛЕННОЕ ПРОСТРАНСТВО

Общая теория относительности Эйнштейна основана на революционном предположении, что гравитация не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как принято было думать раньше. В общей теории относительности пространство-время изогнуто или искривлено помещенными в него массой и энергией. Тела, подобные Земле, движутся по искривленным орбитам не под действием силы, именуемой гравитацией; они следуют по искривленным орбитам потому, что те являются геодезическими линиями — ближайшими аналогами прямых линий в искривленном пространстве. Более строго геодезическая линия определяется как кратчайший (или, наоборот, самый длинный) путь между двумя точками.