Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки

При этом Аристотель продолжал верить в божественное присутствие в мире. Несмотря на то что он считал Вселенную вечной и никем не созданной, он вводит понятие отдельного божества, отвечающего за движение небесных светил – «недвижимых двигателей». Задачей таких нематериальных божественных сущностей было направлять движения небесных объектов, не двигаясь при этом самим, не совершая никаких материальных действий и не подвергаясь им. Управление движением светил осуществлялось таинственным образом, через «вдохновение или желание». Космос Аристотеля был похож на луковицу, состоящую из множества слоев (небесных сфер), в центре которых находилась неподвижная Земля, а на периферии – звезды. Соответственно, «недвижимые двигатели» имели свою иерархию, и тот, что находился ближе всего к краю, назывался перводвигателем. Его задачей было управлять Вселенной снаружи, заводить весь механизм космоса для запуска цепочки причин и следствий.[25]

Перводвигатель и подчиненная ему цепочка «недвижимых двигателей» были необходимы Аристотелю для ответа на два фундаментальных вопроса, с которыми сталкивается человек в попытке объяснить Природу: как предметы переходят из состояния покоя в состояние движения и как это движение сохраняется? Что еще могло вечно поддерживать работу огромной космической машины? Аристотелю не было известно понятие инерции, естественного стремления тела оставаться в состоянии движения, если внешние силы не принудят его к изменению такого состояния. До открытия инерции оставалось еще 18 столетий.

Космос Аристотеля был вечным, что делало его теорию гораздо проще любых других представлений, в которых космос появился в определенный момент времени, – от библейских текстов до современной космологии Большого взрыва. Как мы уже отмечали выше, если у Вселенной есть начало, то этому требуется логическое объяснение. Почему Вселенная вообще существует? Что вызвало ее появление? Религии отвечают на этот вопрос, постулируя существование Божественной Первопричины, на которую не распространяются физические законы. Но объяснить возникновение физической Вселенной с точки зрения науки – это крайне сложная задача, которая все еще преследует современную космологию, даже несмотря на то, что многие верят в квантовую механику как в универсальное объяснение (как мы увидим ниже, это не только плохо с философской точки зрения, но и ошибочно с научной). Заявление о том, что мы знаем все о происхождении Вселенной, не просто неверно – оно искажает общественное понимание науки. Нравится нам это или нет, у каждого острова есть границы, и Остров знаний не исключение.

Но вернемся к Аристотелю. Как мы увидели, он вывел философию из пещеры Платона, устранив различия между миром абстрактных форм и областью чувственного восприятия. Согласно Аристотелю, любые изменения на Земле и вокруг нее объясняются взаимодействием четырех базовых веществ. Поднявшись в небеса, мы перейдем в область небесных сфер, которые ответственны за движение Луны и пяти планет по круглым орбитам (до открытия Урана в 1781 году человечеству были известны лишь Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн). Все небесные объекты состояли из пятого вещества, идеального и вечного эфира, не подвластного никаким изменениям. Космос Аристотеля имел дуалистичную природу, ведь он устанавливал различия между Землей, миром обычной материи, и идеальным эфиром, недоступным ни для чего материального. Более того, в нем еще оставалось место для телеологии, воплощенной в нематериальных, но активных «недвижимых двигателях», на которые впоследствии сделала ставку христианская теология.

В течение нескольких последующих столетий было разработано несколько моделей для объяснения неравномерного движения небесных объектов вокруг Земли в Аристотелевом космосе. Еще со времен шумеров было известно, что планеты порой ведут себя странно. Если понаблюдать за движением Марса по небу в течение нескольких месяцев, можно заметить, что иногда он поворачивает назад, как если бы он не был уверен, что выбрал правильный путь. Для древнегреческих астрономов, считавших Землю центром космоса, это «ретроградное» движение было настоящей головной болью. Согласно Симпликию Киликийскому, философу VI века и комментатору Аристотеля, Платон потребовал от своих учеников объяснить такую траекторию движения Марса, используя лишь циркулярные орбиты и равные скорости. Эту задачу он назвал спасением факта (хотя обычно ученые как раз занимаются спасением собственных теорий от изменений под влиянием фактов). Симпликий так объяснял задачу Платона: «Это блестящая проблема для астрономов: доказать, с учетом полученных гипотез, что все предметы в космосе движутся по кругу и что кажущиеся несоответствия… порождаются не чем иным, как нашим восприятием, и не имеют отношения к реальности».[26]

На данном примере мы видим, как прочное научное убеждение может одновременно подстегивать мышление и останавливать его, заставляя воображение создавать множество возможных сценариев в рамках строгих ограничений. Несмотря на то что идеи Платона почти две тысячи лет вели астрономию по неверному пути, благодаря им было создано множество сложнейших теорий о движении небесных объектов. Самой известной из них является модель эпициклов Птолемея, предложенная около 150 года н. э. и просуществовавшая (с небольшими изменениями, введенными исламскими астрономами) до конца XVI века.

Вкратце, эпицикл – это малый цикл, являющийся частью большего (деферента). Представьте себе, что Земля – это центр большого цикла. У этого большого цикла имеется эпицикл, и по нему движется Луна. По мере вращения большого цикла эпицикл вращается вместе с ним. Если, помимо этого, эпицикл может вращаться и самостоятельно, то мы получаем сочетание двух круговых движений. Перемещаясь по созданному ими петлеобразному пути, космические тела могут демонстрировать обратное или нестандартное движение. Теперь давайте повторим ту же процедуру для всех известных планет и Солнца. Каждый из этих объектов имеет собственный эпицикл, входящий в деферент. В итоге вся конструкция выглядит как ряд концентрических кругов, в центре которых находится Земля. Если правильно соотнести размеры деферентов и эпициклов, можно получить как раз такие ретроградные движения, которые уже известны астрономам по результатам наблюдений.

Птолемей быстро осознал, что эта конструкция была слишком простой, чтобы оказаться верной. Будучи в состоянии предсказывать положение небесных тел на долгое время вперед, он доработал свою модель, добавив в нее дополнительный фактор. Вместо того чтобы вращаться вокруг центра деферента, как кабинки колеса обозрения, эпициклы движутся вокруг экванта – воображаемой точки, слегка смещенной в сторону. После этой модификации модель Птолемея стала невероятно точным инструментом для предсказания положения планет. Ее точность была примерно равна полной Луне, то есть погрешность Птолемеевых измерений не могла быть больше места, занимаемого на небе полной Луной.

Ни Птолемей, ни большинство его последователей из исламских стран никогда не верили в реальность эпициклов. Для них это были лишь расчетные инструменты, позволявшие предсказать положение различных небесных тел. Моисей Маймонид, средневековый последователь Аристотеля еврейского происхождения, упоминает это в своем труде сразу же после опровержения физической природы эпициклов: «Все это никак не касается астронома. Его цель – не сказать нам, как на самом деле располагаются сферы, но предложить астрономическую систему, в которой движение небесных тел могло бы быть равномерным и циркулярным и соответствовало бы тому, что мы воспринимаем зрением, независимо от того, таково ли положение сфер на самом деле».[27] Иными словами, несмотря на то что размышление о движении небесных сфер могло приблизить человечество к Богу, астрономию интересовала не природа вещей, а описание движения небесных объектов, «воспринимаемых зрением», то есть наблюдаемых. Итак, существуют вещи, которые могут быть поняты (воспринимаемые через органы чувств), и вещи, которые находятся за пределами понимания (и восприятия). Маймонид признает, что истинная природа небес сокрыта от человека:

Ибо невозможно человеку подняться до высот, с которых он сможет делать заключения о небесах, находящихся слишком далеко от нас и слишком высоких как по местоположению, так и по статусу. Даже если мы можем делать на их основании общие выводы, например, о существовании Двигателя, знания о таких материях не могут быть достигнуты человеческим умом. Изнурять свое сознание понятиями, которые недоступны ему или неподвластны его инструментам, – это врожденный дефект характера или соблазн.

Разумеется, со времени Маймонида мы узнали много нового о природе небес. Тем не менее нельзя отбрасывать его слова как бессмысленные или пораженческие. Сам характер человеческих исследований предполагает, что каждая эпоха сталкивается с собственным неизвестным. Вопрос лишь в том, остается это неизвестное с нами навсегда или с течением времени с ним можно справиться. Иными словами, на все ли вопросы существуют ответы?

Пускай эпициклы были лишь плодом воображения, но хрустальные сферы, несущие на себе небесные тела, считались вполне реальными. Кажется, ни одна другая идея в истории астрономии не продержалась так долго. Первое упоминание хрустальных («подобных льду») сфер в космосе приписывают ученику Анаксимандра Анаксимену, еще одному пресократику-ионийцу из Милета. Согласно Аэцию, «Анаксимен утверждал, что звезды вбиты, как гвозди, в подобную льду поверхность, и таким образом формируется их структура».[28] Некоторые историки приписывают идею вращающихся колец, двигающих небесные тела вокруг Земли, Эмпедоклу. Как бы там ни было, очевидно, что во времена Платона вращающиеся сферы стали основным образом космической механики. Особенно четко это проявлялось в модели взаимосвязанных сфер, созданной его учеником Евдоксом Книдским. Даже Коперник 18 веков спустя был уверен, что планеты переносятся по своим орбитам с помощью хрустальных сфер, а его революционный труд, в котором он предположил, что в центре космоса находится не Земля, а Солнце, назывался «О вращении небесных сфер». Разумеется, без этого образа трудно было бы объяснить движение космических тел. Единственную идею, сходную с понятием гравитации, высказывал Аристотель, когда делил космос на две «области» с разными физическими законами. Для того чтобы контролировать движения всех небесных тел, ему требовалось ни много ни мало 59 сфер. Коперник понимал, что эта задача требует решения, но не знал, как к ней подойти.

Сделав Солнце центром Вселенной, Коперник вызывал огромный космический катаклизм, подорвав устои аристотелевского мировоззрения, существовавшего почти два тысячелетия. Новый порядок вещей требовал объяснения, новой науки, которую Коперник не мог ему предоставить. Согласно физике Аристотеля, Земля являлась точкой притяжения для всех движений материи, причиной того, почему подброшенные предметы падали вниз. Небесные сферы переносили Луну, Солнце, планеты и звезды по равномерным круговым (или как минимум эпициркулярным) орбитам. Если Земля – это всего лишь одна из планет, почему любой подброшенный предмет падает на нее? Кроме того, согласно Аристотелю, Солнце и все прочие небесные тела состояли из пятого вещества, эфира, совершенно отличного от четырех земных стихий. Эфир был вечным и непреложным. В небесах никогда ничего не изменялось. Даже астероиды и кометы считались атмосферными или «метеорологическими» явлениями.[29] Как же Земля, не состоящая из эфира, могла быть равной другим планетам? Как физика могла объяснить эту путаницу?

Кроме того, вопросы имелись и у теологов. Новое расположение планет означало нарушение природной вертикальности аристотелевского космоса, которую церковь приняла с большим энтузиазмом. Именно эта вертикальность заставляла людей с благоговейным страхом смотреть снизу вверх на небо – обитель Бога и святых. Кроме того, если Земля вращается вокруг Солнца, то и ад не находится в самом центре всего Сущего, а движется по небу вместе с нашей планетой. Неудивительно, что одним из первых обличителей Коперника был Мартин Лютер: «Рассказывают о новом астрологе, который хочет доказать, будто Земля движется и оборачивается вокруг себя, а не небо… Этот дурак хочет перевернуть все искусство астрономии».[30]

Но Коперник вовсе не хотел революции. Он хотел «спасения факта», как и Платон, и поэтому создал модель космоса, основанную на красоте и симметрии и подчиняющуюся законам равномерного кругового движения. Коперник презирал идею Птолемея об экванте, так как она нарушала всю стройность небесной механики. Коперник был человеком Возрождения, учился в Италии всего за несколько лет до того, как Микеланджело закончил роспись Сикстинской капеллы, и потому верил, что гелиоцентрический космос задавал гармонию, новую космическую эстетику, отсутствующую в древней геоцентрической системе. В своем видении мира он отдавал дань уважения Филолаю и пифагорейским представлениям о центральном огне как основе Вселенной и источнике всего света. Модель Коперника была идеей Платона, облаченной в ценности Ренессанса, – космосом, построенным на красоте и симметрии с небольшой добавкой новых астрономических наблюдений. Разумеется, Копернику принадлежала лишь малая часть из них. Основные используемые им данные были получены Птолемеем и его последователями из исламских стран.

Ключевое различие между Коперником и его предшественниками состояло в представлении о реальности идей. Для Коперника гелиоцентрический космос был не просто инструментом расчета, но истинной формой организации мира. Астрономия не просто занималась описанием космоса, но и отражала физическую реальность, воспринимаемую человеческим сознанием. Внезапно ставки оказались гораздо выше, чем раньше.

Но труд Коперника стал лишь первой ласточкой новой эпохи в науке – в основном благодаря Галилею и Кеплеру. Для них обоих переломные моменты наступили с получением новых эмпирических данных. Жизнь Галилея и будущее всей астрономии изменились в тот момент, когда он впервые взял в руки телескоп, а революционная физическая астрономия Кеплера была бы невозможна, не окажись в его распоряжении результатов исследований Тихо Браге.

Глава 5. Преобразующая сила нового инструмента для наблюдений

в которой описывается, как три выдающихся ученых мужа изменили наши представления о мире с помощью новых инструментов и своей творческой мысли

Первый телескоп был сделан в Голландии и попал в руки Галилея только в 1608 году. Предшественник ученого Тихо Браге в течение последних трех десятилетий XVI века тщательно фиксировал движение планет по небу. Браге был достаточно состоятелен, а кроме того, имел поддержку короля Дании Фредерика II, который в 1576 году подарил ему остров Вен «со всеми арендаторами и слугами короны, проживающими на нем, и с правом взимания аренды и иных пошлин… до конца жизни или до тех пор, пока он имеет желание продолжать свои studia mathematices».[31] Благодаря этому Браге удалось создать коллекцию измерительных приборов, равной которой мир еще не видел. Во времена до изобретения телескопа астрономические измерения производились исключительно невооруженным глазом с использованием квадрантов, секстантов, астролябий и иных инструментов, позволявших определять местоположение и отслеживать движение небесных тел. По сути, астрономы проводили угловые измерения небесного свода – воображаемой сферы, на которой были закреплены звезды.

Если посмотреть на небо в ясную ночь, можно увидеть множество звезд (до нескольких тысяч). Расстояние между ними кажется нам неизменным, как если бы они действительно были прибиты к темному небесному своду. С течением ночи звездное небо медленно движется с востока на запад. Из-за этой кажущейся относительной неподвижности звезд древние наблюдатели различали на небосклоне фигуры (созвездия) и придавали им разные значения. Несмотря на то что в различных мифологиях одно и то же созвездие могло иметь разные значения, стремление к поиску смыслов в звездах является общим для всех человеческих культур. В реальности же наши органы чувств нас подводят. Во-первых, звезды не статичны – некоторые из них движутся со скоростью много тысяч километров в секунду. Во-вторых, они не располагаются на одном и том же двухмерном небосводе, а находятся на разных расстояниях от Земли и, следовательно, распределены в трехмерном пространстве. Небосвод – это стена из платоновской пещеры, иллюзия, возникающая вследствие нашего ограниченного восприятия реальности (хотя в данном случае, вероятно, за нашими спинами никто не стоит). Эта иллюзия объясняется огромными расстояниями, отделяющими нас от звезд. Когда мы видим с земли пролетающий над нами самолет, нам кажется, что он движется медленнее, чем на самом деле. Точно так же и звезды, находящиеся в нескольких световых годах (или сотнях световых лет) от нас, выглядят статичными.[32]

Фотографии с длинной экспозицией, сделанные в Северном полушарии, показывают, что звездное небо вращается вокруг одной неподвижной точки – Полярной звезды. На самом деле, движется не небо, а Земля, а Полярная звезда (на сегодняшний день) находится прямо над ее полюсом. В течение следующих нескольких тысяч лет она постепенно сместится из этого положения из-за «предварения равноденствий» – колебаний земной оси.

Предположение о том, что Земля вращается вокруг своей оси, казалось людям настолько необычным, что этот факт ускользал от внимания наблюдателей многие тысячи лет. Если бы мы сказали последователю Аристотеля, что в течение 24 часов именно Земля, а не небеса над ней, делает полный оборот, он бы спросил, почему в таком случае облака и птицы остаются на месте, а подброшенные камни не зависают в воздухе. Нас поддержали бы лишь некоторые греческие мыслители вроде Экфанта и Гераклида, а до Коперника и его теории вращения Земли оставалось бы еще две тысячи лет.

Для того чтобы измерять положение звезд относительно друг друга и отслеживать движущиеся по небу планеты, астрономы делят небесный свод на два полушария, разделенные экватором. В зените (высшей точке) Северного полушария находится Полярная звезда. Положение относительно экватора небесного свода называется склонением (и соответствует долготе на поверхности Земли). Соответственно, склонение Полярной звезды составляет +90°. По аналогии с наземной долготой, которая отсчитывается от выбранной произвольным образом нулевой точки в Гринвиче (Англия), на небесном своде существует прямое восхождение. Прямое восхождение принято отсчитывать от точки весеннего равноденствия, когда Солнце пересекает небесный экватор в начале весны.[33] Ситуацию немного усложняет то, что вместо углов (как в случае с широтой, долготой и склонением) прямое восхождение измеряется в часах, минутах и секундах. Для соединения двух угловых единиц астрономы используют вращение Земли. Поскольку Земля проходит 360º (полный круг) за 24 часа, значит, за один час она проходит 360º/24 = 15º, за минуту – 15º/60 = 0,25º (15 угловых минут, или 15'), а за секунду – 15 /60 = 15' (15 угловых секунд). Таким образом, прямое восхождение с угловым положением 15º относительно нулевой точки равняется одному часу. Например, чтобы найти звезду Бетельгейзе в созвездии Ориона на небесном своде, нужно использовать следующие координаты: 5 часов 52 минуты 0 секунд к востоку от точки весеннего равноденствия (прямое восхождение) и 7º 24 к северу от небесного экватора (склонение).

Но вернемся к Тихо Браге. Его огромные, построенные на заказ инструменты позволяли ему измерять позиции планет с невероятной точностью – восемь угловых минут от градуса.[34] Браге также знал, что для лучшего понимания планетарных орбит требовалась не только точность, но и регулярность. Чем больше данных у него имелось, тем лучше он мог отследить движение планет по небу. А потом, 11 ноября 1572 года, возвращаясь домой из своей алхимической лаборатории, Браге увидел новую звезду в созвездии Кассиопеи. Загадочная гостья была такой яркой, что ее можно было рассмотреть даже днем. Физика Аристотеля отрицала возможность появления новых светил, ведь небеса были незыблемы и все изменения могли происходить лишь в подлунной сфере. Любые новые объекты на звездном небе считались лишь атмосферными явлениями, предметом изучения метеорологии. Вооруженный своими инструментами, Браге тщательно измерял новое небесное тело, пока в марте 1574 года оно не скрылось из виду. Его выводы были революционными: во-первых, новая звезда находилась дальше от Земли, чем Луна, во-вторых, она не была кометой, так как у нее не было хвоста и она не двигалась по небу. Наблюдения Браге впервые бросили вызов установкам Аристотеля. Чтобы заявить, что определенный порядок вещей неверен и грядут перемены, требуется недюжинная интеллектуальная смелость. Современность подхода Браге проявлялась в высочайшей точности его измерений и в понимании, что теории, не подкрепленные фактами, сродни пустым раковинам – их приятно держать в руках, но у них отсутствует живое начало, raison d’etre.

Сегодня мы знаем, что Браге наблюдал взрыв сверхновой. То, что он посчитал рождением новой звезды на небе, на самом деле было смертью старой. Великолепный инструментарий и усердие Тихо Браге позволяли ему видеть мир точнее, чем это делал кто-либо из его предшественников. Тем не менее, как часто случалось в истории науки (и часто упоминается в этой книге), его видение было ограничено имеющимися у него возможностями. Обвиняя тех, кто сомневался в нем, он в сердцах восклицал: «О глупцы! О слепцы, глядящие на небо!» Эту фразу можно отнести к каждому из нас.

Но небеса как будто сами подталкивали науку вперед. В 1577 году еще одна яркая вспышка среди звезд подбросила дров в медленно разгорающийся костер борьбы с аристотелевскими догматами. Речь идет о Великой комете 1577 года, которую видели по всей Западной Европе и которая была зафиксирована многими астрономами. Браге увидел ее 13 ноября перед закатом, возвращаясь с рыбалки, и следил за ее движением 74 дня. Сравнив свои данные с данными пражского коллеги, Браге заключил, что расстояние от кометы до Земли в три раза превышало расстояние между нашей планетой и Луной. Он также отметил, что, хотя Луна для пражского астронома находилась в другом месте, нежели для него, местоположение кометы в обоих наблюдениях оставалось неизменным. Эта техника носит название параллакс и является крайне эффективной для определения расстояния между удаленными объектами.[35] Другие астрономы также подтвердили наблюдения Браге, еще сильнее пошатнув установку Аристотеля о неподвижности небесных сфер.

Учитывая, что Браге делал свои открытия всего через 30 лет после публикации книги Коперника в 1543 году, было бы логично предположить, что он с радостью принял гелиоцентрическую модель. Увы, это было не так. По определенным физическим и теологическим мотивам он отказался ее поддерживать и вместо этого предложил странную гибридную модель с двумя центрами. Земля продолжала быть неподвижным центром всего сущего, Солнце и Луна вращались вокруг нее, а все остальные планеты – вокруг Солнца. Создавая эту запутанную структуру, Браге полагался одновременно и на библейские догматы, и на свою незыблемую веру в силу наблюдений. Он тщательно регистрировал и сравнивал положения звезд в разные времена года, чтобы получить хотя бы малейшее доказательство движения Земли (при этом применялась та же техника параллакса, что и при наблюдении за Великой кометой 1577 года), но не обнаружил ничего, что искал. Если бы Земля двигалась вокруг Солнца, то в разное время года звезды, расположенные к ней ближе, оказывались бы в разных положениях относительно более далеких. Браге не нашел желаемых доказательств, потому что звездный параллакс невозможно увидеть невооруженным глазом, пусть даже с самыми точными измерительными инструментами. Как и все остальные его современники, он смотрел на небо и был слеп, хоть и видел дальше остальных. Кроме того, Браге не мог представить себе новую физику, которая объяснила бы модель Вселенной с Солнцем в центре. Несмотря на то что его собственные наблюдения указывали на неправоту Аристотеля, разделявшего реальность на две отдельные области, Браге не был готов сделать еще один шаг вперед и поверить, что перед ним лежали законы абсолютно новой физики, ждущие, пока их откроют.

Тем не менее у него хватило смелости отойти от идеи существования хрустальных сфер, так как в его модели космоса они неизбежно сталкивались бы между собой. Он предположил, что, если бы сферы существовали, кометы пролетали бы сквозь них, как пули сквозь стекло, оставляя за собой след из осколков, хотя собранные им данные были недостаточно точными для того, чтобы доказать это. Избавившись от священных небесных сфер, Браге столкнулся с проблемой. Как объяснить движение светил по небу, если движущих их сфер на самом деле не существует? Будучи совершенно уверенным в своих наблюдениях, Браге считал, что планеты просто движутся в пустом пространстве, но при этом не мог объяснить их вращение, которое сам же и измерял с такой точностью. Ему нужен был архитектор, человек с достаточным воображением и знаниями в математике, готовый доказать, что его модель правильно описывает положение вещей. Ему нужен был Иоганн Кеплер.

В истории науки найдется немного персонажей, столь же интересных, как этот блестящий, храбрейший и крайне неуравновешенный немецкий астроном, который в самые мрачные моменты своей жизни считал себя самым слабым и безвольным человеком, будучи в реальности гигантом мысли и героем борьбы за свободу вероисповедания. Испытав немало жизненных трагедий, перенеся ужасное детство и множество эмоциональных потрясений в личной жизни, пережив жестокую конфронтацию между католиками и лютеранами в Центральной Европе в первых десятилетиях XVII века, Кеплер обратил свой взгляд к небесам, надеясь найти в них тот порядок, которого ему так не хватало на Земле.[36]

Кеплер стал ассистентом Браге в начале 1600-х годов. К тому моменту состоятельный астроном уже вышел из фавора датской короны и стал придворным математиком Рудольфа II, правителя Священной Римской империи, трон которого находился в Праге. Браге не мог отказаться от привычных ему блеска и роскоши и потому построил в замке Бенатки, примерно в 40 милях от столицы, сложную астрономическую обсерваторию, полную дорогих инструментов и многочисленных ассистентов.

С самого начала Браге и Кеплер преследовали разные цели. Первому нужна была теоретическая помощь для обоснования странной геоцентрической модели, которая, как он полагал, соответствовала не только его собственным наблюдениям, но и Священному Писанию. Второй же, будучи преданным последователем Коперника, хотел использовать данные Браге, чтобы раз и навсегда доказать истинность гелиоцентрической структуры космоса. Несмотря на то что они проработали вместе всего полтора года, это было эпическое столкновение. Браге не соглашался предоставить результаты своего многолетнего упорного труда немецкому последователю Коперника, Кеплеру же не терпелось начать собственную работу. После многочисленных споров Браге наконец дал Кеплеру доступ к своим записям о движении Марса. Это был хитрый ход, ведь Браге знал, что Марс движется по крайне странной орбите, порой делая резкие скачки в сторону от привычного круга.[37] Задачей Кеплера было объяснить траекторию Марса с помощью циркулярных движений, используя собранные Браге данные.

Кеплер надеялся, что эта работа займет у него лишь пару недель, а в итоге закончил ее через девять лет. В 1609 году он с гордостью опубликовал свою «Новую астрономию», в которой заявил, что Марс движется не по круговой, а по эллиптической орбите. Это было неожиданное решение, противоречащее тысячелетним представлениям астрономов, но Кеплер ни на шаг не отступал от наблюдений Браге. После нескольких лет экспериментов с кругами и эллипсами Кеплер применил идею Птолемея об экванте к Солнцу, немного сместив его из центра всех планетарных орбит. Этот подход сработал почти идеально, вот только два наблюдаемых параметра отличались от расчетов на основании его модели на восемь угловых минут, то есть на 8 / 60 одного градуса. Большинство людей просто проигнорировали бы эти несоответствия и посчитали бы такую модель максимально точным приближением к истинному положению вещей (так оно и было). Но неуемный Кеплер знал, что может лучше использовать драгоценную информацию, оказавшуюся в его руках.

Итак, Кеплер продолжил попытки и через какое-то время пришел к теории эллипса. Это был уже второй случай – в первый раз он отказался от идеи эллиптических орбит. Иногда ответ находится прямо у нас перед глазами, но мы не готовы его принять. Итак, звезды сошлись идеально. В руках Кеплера точнейшие данные Браге, собранные с помощью лучших инструментов, могли совершить революцию в науке. В истории науки вряд ли можно найти много примеров, столь же ярко иллюстрирующих силу точных данных как катализатора масштабных изменений в наших представлениях о мире. История Браге и Кеплера показывает нам, что наблюдатель и теоретик могут создать практически всесильный союз, пускай и не всегда столь блестящий. Перефразируя знаменитое высказывание Эйнштейна о науке и религии, «информация без теории хрома, а теория без информации слепа».

Но Кеплер не остановился на достигнутом. Для того чтобы по-настоящему изменить науку, ему недостаточно было обосновать астрономию Коперника данными, полученными от Браге. Требовалось создать новую физику для ее объяснения. Полное название книги Кеплера звучало так: «Новая астрономия, причинно обоснованная, или Физика неба, изложенная в исследованиях движения звезды Марс по наблюдениям достопочтенного Тихо Браге». Причинно обоснованная астрономия или физика неба. Кеплер не просто описывал астрономические явления, как все его предшественники, но пытался объяснить движения светил с помощью физики, будучи уверенным в том, что они подчиняются законам причины и следствия. Это была настоящая революция – первая попытка в истории астрономии объяснить траектории планет воздействием физических сил. Кеплер предположил, что Солнце и планеты имеют магнитную природу и взаимодействуют друг с другом с помощью притяжения. На эту идею его вдохновил труд Уильяма Гилберта, придворного врача Елизаветы I, в котором автор описывал Землю как гигантский естественный магнит. Кеплер заключил, что если Земля является магнитом, то им должно быть и Солнце. А два магнита притягиваются друг к другу даже на расстоянии, как и происходит с Солнцем и планетами. В письме от 1605 года он писал: «Моя цель – показать, что небеса представляют собой не божественный организм, но скорее часовой механизм… поскольку почти все из огромного количества движений объясняются единственно простейшей магнитной силой». Революционные идеи Кеплера о физических причинах движения планет стали основанием для ньютоновской теории гравитации, созданной позднее, в XVII столетии.

Перед тем как перейти от Кеплера к другим темам, я бы хотел обратить внимание еще на один очень важный пассаж из названия его книги – «физика неба, основанная на наблюдениях». Несмотря на то что пространные рассуждения о космосе порой заводили его слишком далеко, Кеплер понимал, что информация – это главный судья между Природой и теориями, которые мы создаем, чтобы ее объяснить. Сегодня это кажется нам очевидным, но во времена Кеплера все было совсем не так. Кеплер был человеком переходного периода, провозвестником нового. Но к этому моменту он уже был не одинок. Вдали от него, в Италии, на сцену мировой науки готовился выйти еще один последователь Коперника.

В 1610 году, всего через год после выхода «Новой астрономии» Кеплера, Галилео Галилей опубликовал свою работу Siderius Nuncius, название которой обычно переводят как «Звездный вестник». Этой небольшой книгой Галилей изменил представление человечества о Вселенной. А помог ему в этом новый мощный инструмент для наблюдения за небом – телескоп. Благодаря ему Галилей смог увидеть новый космос, полный сложности и красоты, далекой от идеализированной Аристотелевой симметрии вечных и неизменных эфирных сфер. Инструменты Браге позволяли ему измерять небесные явления с беспрецедентной точностью. Точно так же и телескоп Галилея давал ему возможность видеть дальше и точнее, чем кто-либо из его предшественников. Как это часто случается в истории науки, новый измерительный прибор открыл людям неожиданные аспекты физической реальности. Остров знаний увеличивается неравномерно, новые участки суши поднимаются из воды и изменяют старые границы, порой до неузнаваемости.

Несмотря на то что новости об изобретении телескопа появились уже в октябре 1608 года, когда голландский мастер Иоанн Липперсгей подал заявку на регистрацию соответствующего патента (она была отклонена), свой первый телескоп Галилей создал сам. Друг Галилея, дипломат, подарил ему образчик труда Липперсгея, и Галилей осознал потенциал этого прибора. Он начал вытачивать линзы самостоятельно и к июлю 1609 года собрал телескоп с трехкратным увеличением. Вскоре после этого, в августе того же года, он представил перед венецианским сенатом инструмент, приближающий наблюдаемые объекты в восемь раз. Это позволило ему закрепить свое место в Падуанском университете и потребовать увеличения жалованья в два раза. В октябре он уже смотрел на небо через телескоп с 20-кратным увеличением. Галилей не был одинок в своих трудах. Сегодня мы знаем, что в августе 1609 года Томас Хэрриот из Англии уже использовал устройство с шестикратным увеличением для наблюдения за Луной, хотя результаты его работы так и не были опубликованы.[38] Итак, телескоп обязан своей славой Галилею и его уверенности в том, что в его руках находится инструмент новой астрономии, если не нового мирового порядка.

О Галилее и его злоключениях по вине католической церкви написано очень много. Я и сам поднимал эту тему в своей книге «Танцующая Вселенная». Поэтому сейчас я постараюсь сфокусироваться на влиянии его открытий и на его роли в создании эмпирического метода, который впоследствии станет основой современной науки.

В «Звездном вестнике» (несомненно, в этой роли Галилей видел самого себя) он описывает три главных открытия, сделанных с помощью его телескопа и полностью противоречащих Аристотелевым взглядам на космос. Во-первых, поверхность Луны не является ровной – на ней имеются горы и кратеры и она больше похожа на Землю, чем на идеальную сферу из чистого эфира. Во-вторых, направив свой телескоп на Плеяды и созвездие Ориона, Галилей увидел в десять раз больше звезд, чем невооруженным глазом. Это заставило его предположить, что Млечный Путь и другие туманности являются не облачными формированиями, а бесчисленными множествами звезд. Наконец, у Юпитера обнаружилось четыре спутника, которые Галилей тут же окрестил «светилами Медичи» в стремлении получить поддержку великого герцога Тосканского Козимо II. Эти открытия, а также многие последующие наблюдения (например, фазы Венеры и пятна на Солнце) убедили Галилео, что Коперник был прав, а Аристотель – нет.[39] Даже несмотря на то что они не в полной мере доказывали теорию Коперника (и при необходимости легко вписывались в модель Браге), как, к примеру, звездный параллакс, Галилей решил заявить всему миру и церкви о том, что пришло время перемен. Это в конце концов и навлекло на него гнев инквизиции.

Несмотря на всю свою новизну и революционность, работы Галилея в области астрономии все равно несли на себе печать консерватизма. Например, он так и не поверил в существование Кеплеровых эллиптических орбит. Вместо этого он предложил странный закон круговой инерции, основанный на идеях оксфордского ученого XIV века Жана Буридана. С помощью этого закона он пытался объяснить вращение планет вокруг Солнца, а впоследствии экстраполировал его и на линейную инерцию: «Тело, движущееся по ровной поверхности, будет продолжать движение в том же направлении с постоянной скоростью, если не подвергнется внешнему воздействию» (представьте себе, как человек на коньках скользит по гладкому льду замерзшего озера). Позднее Ньютон превратит эту формулировку в свой первый закон движения, введя в нее понятие силы: «Тело сохраняет постоянную скорость, если на него не воздействует чистая неуравновешенная сила». Кстати, слово «инерция» впервые встречается в Epitome Astronomiae Copernicanae Кеплера – труде в трех томах, напечатанном между 1618 и 1621 годами. В этом шедевре ранней астрономической науки Кеплер применяет свою идею эллиптических орбит ко всем планетам, а также успешно доказывает правильность своих математических формул с помощью данных, полученных от Браге. Согласно Кеплеру, инерция представляет собой сопротивление тела стартовому импульсу, выводящему его из состояния покоя.

Тем не менее и для Галилея, и для Кеплера космос оставался закрытой структурой, ограниченной сферой звезд. Идея бесконечности Вселенной вселяла в Кеплера отвращение: «Даже сами мысли об этом полны скрытого ужаса, возникающего в попытках представить себе столь полное отрицание любых границ и центров, что любое определение местоположения становится бессмысленным».[40]

Кеплер верил, что космос, созданный Богом, должен быть симметричным и геометрически упорядоченным, а не бесконечным и бесформенным. Он даже сравнивал его со Святой Троицей: Солнце, находящееся в центре, представляло Бога-Отца, сфера звезд на периферии – Сына, а пространство между ними, наполненное солнечным (Божественным) светом, – Святой Дух. Чтобы подкрепить свое теологическое объяснение, он заявлял, что идея бесконечной Вселенной противоречит данным астрономических наблюдений, и приводил в качестве примера сверхновую 1604 года (так называемую Кеплерову сверхновую, последнюю, наблюдавшуюся невооруженным глазом). Защитники теории бесконечного космоса утверждали, что новая звезда стала заметна, приблизившись к Земле из космических глубин, а затем снова исчезла из виду, когда расстояние увеличилось. Кеплер отрицал эту идею, говоря, что звезды не могут двигаться. Кроме того, он считал, что бесконечный космос был бы однородным и выглядел бы одинаково в любой точке, в то время как наблюдения за созвездиями показывали, что это не так.

Вполне возможно, что и Кеплер, и в особенности Галилей просто не забывали об ужасной судьбе Джордано Бруно, закончившего жизнь на костре инквизиции, пускай его обвинение и казнь стали результатом скорее его борьбы с религиозными догматами, чем трудов в области астрономии. К примеру, Бруно утверждал, что Христос был не сыном Бога, а просто ловким волшебником, и что Святой Дух – это душа всего мира. Тем не менее он верил в бесконечность Вселенной и в то, что каждая звезда представляет собой солнце, вокруг которого вращаются другие планеты (подумать только, как он был прав!), населенные мыслящими существами. Эта теория также противоречила представлениям о Земле как о центре творения и людях как любимых детях Создателя.

Итак, Галилей и Кеплер подготовили сцену к выходу еще одного человека, готового изменить реальность, – Исаака Ньютона. Он не только точно сформулировал закон всемирного тяготения, применимый ко всем объектам во Вселенной, но и разбил небесный свод, показав, что за ним скрывается бесконечный космос. Ни одному человеку до него не удавалось настолько увеличить наш Остров знаний – и лишь немногим это удастся после.

Глава 6. Разбить небесный свод

в которой мы узнаем больше о гении Исаака Ньютона и поймем, почему его физика стала маяком человеческой мысли во тьме непознанного

Галилей умер в 1642 году – в год рождения Ньютона. Великий итальянец не ограничивался в своей работе только астрономией. Он потрясал основы Аристотелевой физики и на Земле, показывая, к удивлению многочисленных читателей и ярости святых отцов, что внешность действительно бывает обманчива. Самое блестящее открытие Галилея касается природы тяготения. Даже сегодня, когда я читаю лекции, посвященные этой теме, и показываю, насколько неверными могут быть наши интуитивные представления, я вижу удивление и зачастую даже неверие на лице своих студентов. Как писал Аристотель и как подсказывают нам органы чувств, все объекты в мире стремятся к своему «месту в природе». «Места в природе» организованы в соответствии с иерархией четырех стихий. Они располагаются вертикально снизу вверх в такой последовательности: земля, вода, огонь и воздух. Это кажется совершенно логичным, ведь мы знаем, что, если подбросить камень в воздух (или бросить его в огонь или воду), он упадет вниз, а если разжечь костер, то языки пламени будут стремиться вверх. Из этого эксперимента можно сделать вывод, что чем тяжелее предмет, тем быстрее он упадет. Соответственно, гравитация должна каким-то образом учитывать состав предмета. Почему бы и нет, если перо действительно падает на землю куда медленнее булыжника?

Проведя ряд потрясающих экспериментов, Галилей доказал, что ни Аристотель, ни наша интуиция не правы. Все предметы, вне зависимости от их веса, формы или состава, падают вниз с одной и той же скоростью. Различия могут объясняться лишь сопротивлением воздуха или разницей во времени броска. Если точнее, можно сказать, что все предметы, вне зависимости от их массы, в вакууме падают с одинаковой скоростью (хотя для того, чтобы объяснить разницу между весом и массой, необходимо было дождаться прихода Ньютона). Галилей описал кинематические характеристики свободного падения, измерив его скорость для различных объектов. Для осуществления таких измерений он придумал блестящий эксперимент – наблюдение за шарами, скатывающимися по наклонной поверхности. При этом он мог варьировать угол наклона, контролируя тем самым их скорость и рассчитывая время движения шара даже в отсутствие часов (которые к тому моменту еще не изобрели). Для измерения времени он использовал собственный пульс, музыку (так как все люди известны своей способностью чувствовать ритм) и даже воду, капающую в ведро. Чтобы убедиться, что в гроб Аристотеля загнано уже достаточно гвоздей, Галилей провел еще два опыта. В рамках одного из них, самого известного, он сбросил деревянный и свинцовый шары с верхушки Пизанской башни. Несмотря на разницу в весе, оба шара коснулись земли практически одновременно.[41]

Еще один эксперимент с падением предметов был проведен ранее, в 1602 году, во время мессы в Пизанском соборе, когда внимание Галилея привлек прислуживающий в алтаре мальчик, зажигавший свечи на большой люстре. Галилей заметил, что после того, как мальчик отпускал люстру, она некоторое время раскачивалась вперед и назад. К его удивлению, даже при уменьшении амплитуды время между полными колебаниями (период осцилляции) оставалось примерно одинаковым (на самом деле это верно лишь для колебаний с небольшой амплитудой). Позднее Галилей доказал, что время колебаний не зависело от массы объекта: при старте из одного и того же положения (то есть под одним и тем же углом к перпендикуляру) и легкие и тяжелые предметы колебались с одинаковой скоростью. Для колебаний с небольшой амплитудой время определяется лишь длиной подвеса и местным значением силы притяжения (которое в экспериментах Галилея оставалось неизменным).

Учитывая, что движение маятника представляет собой, по сути, контролируемое падение, тот факт, что маятники с разным весом имели равное время колебания, соответствовал данным эксперимента с шарами, движущимися по наклонной плоскости или сброшенными с Пизанской башни. Итак, свободное падение – это демократичное явление, ведь в нем все массы равны. Различия, которые мы будем наблюдать, если одновременно сбросим с высоты 10 футов перо и кадиллак, объясняются исключительно сопротивлением воздуха. В конце своей прогулки по Луне командир корабля «Аполло-15» Дэвид Скотт одновременно выпустил из рук перо и молоток, чтобы провести опыт Галилея в вакууме. Видео, снятое во время этого эксперимента, поражает воображение и кажется совершенной магией, хотя и не должно удивлять тех, кому известно об открытиях Галилея.[42] Единственное волшебство здесь заключается в отсутствии всякого волшебства.

Пока Кеплер формулировал первые математические законы, описывающие орбиты небесных тел, Галилей работал над выведением законов, регулирующих движения более близких к Земле объектов. Природа стала подвластной рациональному объяснению через математические формулы и собранные данные. И Кеплер, и Галилей сумели сформулировать то, что мы сегодня называем эмпирическими законами природы, после проведения экспериментов и тщательного анализа данных. Помимо всего прочего, их история учит нас, что для открытия математических законов Природы крайне важна экспериментальная точность (подумайте о Кеплере с его отклонением 8 угловых минут и о Галилее с его замерами времени при свободном падении). Естественным наукам необходимы методы, включающие в себя как математические уравнения, так и точные приборы. Одно значение измерений – это всего лишь число, но вот ряд значений может указывать на тенденцию. Задача ученого – понять смысл этой тенденции, изучить вероятные закономерности и выразить их в терминах математических законов, применимых к аналогичным системам. Законы Кеплера работают для всех объектов, движущихся по орбитам, будь то в Солнечной или иной звездной системе (если только гравитация в ней не слишком сильна), а результаты экспериментов Галилея со свободным падением применимы для всех (постоянных) гравитационных полей.

Ньютон стал для науки великим объединителем, связав физику Земли с законами небес. Своим законом всемирного тяготения он показал, что и закон Галилея о свободном падении, и закон Кеплера о движении планет по сути являются одним и тем же. Ньютон приблизил небеса к Земле и ко всему человечеству и позволил человеческому уму проникнуть в их тайны. Если эмпирические законы его предшественников рассказывали о закономерностях процессов на Земле и над ней, то его закон описывал общий космический порядок в масштабе, доселе недоступном мыслителям. Будучи увлеченным алхимиком, Ньютон, должно быть, очень радовался, когда ему удалось найти практическое воплощение знаменитого выражения из «Изумрудной скрижали» Гермеса Трисмегиста, главного кодекса алхимии: «То, что находится внизу, аналогично тому, что находится вверху».[43] Для Ньютона математические принципы натурфилософии, алхимический поиск единства духа и материи и роль Бога как Создателя и хранителя мирового порядка были прочно связаны между собой.

Движения всех деталей космического механизма, будь то дальние планеты или падающее яблоко, подчиняются ряду правил, выраженных в одном уравнении. Неудивительно, что Ньютона превозносят как создателя современной науки, как воплощение силы разума, позволяющей познать мир вокруг.

Но многие забывают, что Ньютон не был типичным одиноким теоретиком, погруженным в поиски математических законов природы в своем кабинете в Кембридже. Он и правда был отшельником и отрицал любые прямые социальные контакты или обмен знаниями, чему существует множество документальных доказательств и что не раз отражалось в его биографиях. Гораздо меньше широкой публике известно о том, что Ньютон был старательным экспериментатором, проведшим много часов за изучением свойств света и алхимическими опытами в поисках тайных знаний. К этому мы еще вернемся чуть позже.

В оптике Ньютон занимался исследованиями природы видимого света, в частности, он определил, что тот состоит из напластования бесконечного количества цветов, находящихся в радуге между красным и фиолетовым. Более того, Ньютон изобрел новый тип телескопа, рефлектор, гораздо более мощный, чем рефракторный телескоп Галилея, дававший изображения с гораздо большим разрешением и не имевший цветовых искажений (так называемых аберраций). Благодаря рефлекторному телескопу, в котором использовалось зеркало, собирающее свет и фокусирующее его в глазах наблюдателя, Ньютон стал знаменитым еще до открытия законов механики и всемирного тяготения. К 1669 году он уже был назначен вторым Лукасовским профессором математики в Кембриджском университете. Эта должность была создана в 1663 году и существует до сих пор. С 1979 года ее занимал Стивен Хокинг, а после его ухода на пенсию место перешло к Майклу Грину – известному ученому, занимающемуся теорией струн.

В декабре 1671 года первый Лукасовский профессор Исаак Барроу, восхищавшийся работами Ньютона, отвез его рефлекторный телескоп в Лондон, чтобы продемонстрировать членам Королевского общества – знаменитого сообщества ученых, ставившего своей целью познание законов Природы. Еще через месяц Ньютон вступил в общество, тем самым закрепив за собой место среди элиты британской науки. Однако вместе со славой к нему пришла известность, а с известностью – профессиональная зависть и интеллектуальная конфронтация. Ньютону совсем не хотелось играть в эти игры, по крайней мере поначалу. Только после публикации в 1687 году «Начал», его труда, в котором были представлены законы механики и всемирного тяготения, и признания в качестве одного из величайших ученых всех времен Ньютон осмелился вернуться в общество.

Что касается алхимических работ Ньютона, то их он по большей части держал при себе, делясь лишь с избранными коллегами, например с одним из первых химиков Робертом Бойлем (кстати говоря, так же ревностно он охранял и свои теологические труды). Тем не менее ньютоновская новая теория мира распространялась на все области знаний быстрее лесного пожара, и Ньютон уже не мог это контролировать. Разумеется, теория, объясняющая динамику небесных тел воздействием невидимых сил не могла не вызвать интереса у теологов, тем более что эти силы, судя по всему, управляли всеми процессами в космосе – от падения самой крошечной песчинки до движения планет и комет. Могли ли верующие люди увидеть за силой гравитации что-то иное, кроме воли Творца? Как объяснял Ньютон кембриджскому теологу Ричарду Бентли, только бесконечный космос мог являться отражением безграничной Божественной силы творения. Если Бог присутствует во всем космосе, значит, космос не имеет конца. В «Общем поучении» к «Началам» Ньютон пишет, что Бог и Вселенная суть одно и то же: «[Бог] существует всегда и присутствует везде и, будучи вечным и всеобъемлющим, представляет собой время и пространство».[44]

Новая теория гравитации Ньютона разбила небесный свод и показала, что простирающийся за ним космос безграничен. Вселенная предстала перед людьми во всей своей бесконечной и грозной красоте. Это был космос тысячи солнц, «находящихся на неисчислимых расстояниях друг от друга», в котором Земля оказалась лишь крошечной точкой в пустоте, не имеющей центра, лишь хрупким убежищем для человечества. Через несколько десятков лет после публикации революционных идей Ньютона французский математик и философ Блез Паскаль, вторя Кеплеру, описал экзистенциальный ужас, охватывающий его при мысли о безграничности мира: «Вечная тишина этого бесконечного пространства пугает меня». Если точнее, его мысль звучала так:

Когда я размышляю о мимолетности моего существования, погруженного в вечность, которая была до меня и пребудет после, о ничтожности пространства, не только занимаемого, но и видимого мною, растворенного в безмерной бесконечности пространств, мне неведомых и не ведающих обо мне, я трепещу от страха и недоуменно вопрошаю себя: почему я здесь, а не там, потому что нет причины мне быть здесь, а не там, нет причины быть сейчас, а не потом или прежде. Кто определил мою судьбу? Чей приказ, чей промысел предназначил мне это время и место?[45]

И сегодня, сталкиваясь с новыми научными открытиями, постоянно подтверждающими бесконечность времени и пространства, многие испытывают тот же ужас, что и Паскаль. Великого философа поддерживала в борьбе с его страхом христианская вера. Но как еще, если не с помощью религии, мы можем понять истинный смысл нашего мимолетного существования в этом мире?

Глава 7. Наука как грандиозное описание Природы

в которой автор рассуждает о том, что наука – это человеческий конструкт, действующий в установленных рамках, но открытый для изменений

Ньютон, Галилей и Кеплер, равно как и многие после них, находили смысл существования в познании законов Природы. Если мир и его законы действительно были созданы Богом, то поиск этих законов и постижение Божественного плана – обязанность каждого верующего. Понимание задумки Творца было высочайшей целью человеческого разума, вооруженного математикой, интуицией и точными данными. Даже сегодня верующие ученые точно так же объясняют, как в их жизни сочетаются наука и религия: чем больше они узнают о Природе, тем сильнее восхищаются результатами Божественного труда. Но даже среди тех, кто не причисляет себя ни к одной религии, распространено представление о природном единстве.

Теперь мы знаем, как Галилей, Кеплер и Ньютон изменили правила игры в свое время, как наука стала больше полагаться на инструменты и приборы и как в эффективности этих устройств отражались ограниченные возможности человека при познании мира. Природные закономерности выражались в математических законах, разработанных на основании внимательных наблюдений за физическими явлениями. С каждым открытием Остров знаний разрастался, но и береговая линия непознанного становилась длиннее. У ученых появлялись новые вопросы, на которые они не могли дать ответ.

Тем не менее начало было положено, и настолько эффективно, что к 1827 году, через 100 лет после смерти Ньютона, научное знание полностью изменилось. Такие понятия, как энергия и законы ее сохранения, электрический ток и магнетизм, были признаны частью природного повествования. На небеса направлялись все более и более мощные телескопы, и физика расширяла свое присутствие. После открытия Урана Уильямом Гершелем в 1781 году число известных человечеству планет достигло семи, новые кометы пересекали небеса, двигаясь по своим огненным орбитам, туманности виделись наблюдателям уже не как бесформенные облака, но как объекты, наполненные невероятной игрой света и цвета. Космос оказался куда более ярким и живым, чем можно было предположить. Древние ионийцы с их представлениями о постоянно меняющейся Вселенной внезапно снова вышли на передний план. Разумеется, нельзя было забывать и о противоположных идеях идеальной неизменности космоса. Для того чтобы понять природу космоса, наука должна была уравновесить понятия симметрии, красоты и сохранения энергии с представлениями об изменениях, распаде и перерождении.

По мере накопления знаний о мире увеличивался и объем непознанного. Приборы, предназначенные для улучшения человеческого зрения, открывали перед наблюдателями неожиданные богатства на всех уровнях, от крошечного до галактического. Если та или иная теория достаточно успешна, она может предсказать существование новых природных объектов и характеристик. Но предвидеть все, чего мы еще не знаем, невозможно. Новые инструменты не только расширяют наше видение мира, но и показывают, сколького мы еще не знаем и не можем предсказать, причем зачастую это происходит весьма впечатляюще. В качестве примера можно привести голландцев Захария Янсена и Антони ван Левенгука, совершивших революцию в микромире и создавших микроскоп примерно в то же время, когда Галилей впервые направил свой телескоп на звезды. В частности, Левенгук исследовал налет, снятый с его собственных зубов, и обнаружил в нем бактерии, открыв, таким образом, целый новый мир микроорганизмов.

Открытие этих крошечных форм жизни сразу же породило лавину вопросов. Насколько маленьким может быть живой организм? В чем разница между живой и неживой материей? Откуда вообще произошла жизнь? У важнейших вопросов макромира, вроде границ Вселенной и возраста нашего мира, нашлись эквиваленты и в микромире. Какова минимальная частица материи? Какова продолжительность ее жизни? Что есть смерть – Божественная установка или природное явление? Возможность того, что неживая материя когда-то превратилась в живую без какого бы то ни было посредничества Творца, пугала многих верующих. Здесь уместно вспомнить четвертое письмо Ньютона к Ричарду Бентли, в котором он отвечает на вопрос теолога о природе гравитации:

Невозможно представить, чтобы неодушевленная грубая материя без посредства чего-нибудь еще нематериального могла действовать и оказывать влияние на другую материю без взаимного соприкосновения с ней… То, что тяготение должно быть врожденным, внутренне присущим материи и существенным для нее…представляется мне столь вопиющей нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее.[46]

Ньютон настаивал на том, что гравитация не может иметь материального объяснения, так как инертная материя остается инертной. В самой материи имелось что-то непостижимое, запускавшее силы притяжения. Возможно, Ньютон объяснял это вмешательством Бога, хотя в своем ответе Бентли по этому поводу он весьма осторожен (если не сказать противоречив): «Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно действующим по определенным законам; материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям».

После Ньютона поведение материальных объектов начали объяснять с помощью сил. Именно они определяют то, как мы познаем мир вокруг нас через наши органы чувств и их искусственные продолжения – приборы. В «экспериментальной философии» не осталось места для метафизики. Говоря словами Ньютона, «то, что не проистекает из фактов, не имеет места».[47]

Это высказывание и по сей день остается кредо науки. Онтологическое описание физического мира через силы, влияющие на материальные объекты, не содержит никаких объяснений о природе таких сил или причинах их существования. Массы притягиваются друг к другу с силой, которая обратно пропорциональна расстояниям между ними. Притяжение (или отторжение) заряженных тел происходит по аналогичному принципу. Такие формулы позволяют физикам описывать поведение масс и зарядов в различных ситуациях. При этом мы не знаем, что представляют собой электрический заряд или масса и почему некоторые базовые единицы материи, например электроны или кварки, обладают и тем и другим. Масса или заряд – это характеристики материальных объектов, которые мы познаем с помощью приборов и опытов и используем для классификации их типов и физических свойств. Масса и заряд не существуют сами по себе. Они лишь часть информационной картины, которую люди создают для описания мира вокруг себя. Пятьсот лет назад этих понятий еще не существовало, а через 500 лет их могут заменить другие концепции. Иными словами, если во Вселенной существуют другие разумные существа, они, несомненно, пытаются объяснить наблюдаемые ими физические явления. Но считать, что они используют при этом те же концепции, что и мы, то есть что придуманные нами описания отражают какую-то вселенскую истину, – это глупость и антропоцентризм.

Наше понимание материальных объектов и взаимодействий между ними резко изменилось в ХХ веке с распространением нового описательного инструмента – понятия поля, породившего новую онтологию. Частицы материи стали представляться как локализованные флуктуации в полях, сгустки энергии, появляющиеся из базового поля и исчезающие в нем же. Несмотря на то что после введения полей как инструмента для объяснения фундаментальной физической реальности наше понимание материи и взаимодействий между объектами существенно улучшилось, поля все равно следует рассматривать как всего лишь один из уровней описания, а не как окончательное объяснение того, почему массы и заряды ведут себя так, как мы наблюдаем. Наверняка мы можем сказать лишь то, что на нашем текущем уровне понимания массы и заряды представляют собой измеримые характеристики возбуждения полей на уровне частиц. То, что это объяснение успешно, не значит, что в будущем мы не найдем ничего лучше. Более того, учитывая скорость развития научных знаний, это почти наверняка произойдет. Точно так же, как современные представления об электроне отличаются от представлений вековой давности, концепции будущего будут отличаться от сегодняшних.[48]

Но давайте вернемся в XIX век. Двести лет назад ньютоновская наука потрясла основы человеческого знания и изменила наши представления о мире. Девятнадцатый век породил ученых, выдающихся не только своим блестящим воображением, но и потрясающей работоспособностью и экспериментальным мастерством. В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл объединил десятки на первый взгляд разрозненных электрических и магнитных явлений, введя понятие колебаний магнитного поля. В 1886 году Генрих Герц подтвердил предположение Максвелла о том, что такие колебания распространяются в пространстве, перенося энергию и импульс. Позже он также доказал, что электромагнитные волны движутся со скоростью света (как и предсказывал Максвелл). Объединившись, теория и опыт оказались непобедимыми. Чтобы избавиться от ассоциаций с философами прошлого, натурфилософию стали называть наукой. Согласно Оксфордскому словарю английского языка, слово «ученый» вошло в обиход в 1863 году.

Ученый – это человек, который ищет знания о физическом мире, используя специальную методику. Научный метод предполагает выдвижение гипотезы с ее последующим экспериментальным подтверждением. У ученого имеется четкая цель: описать природное явление, используя для этого рациональные аргументы, основанные на воспроизводимых экспериментах и единообразии. Рассуждения допустимы только в той степени, в которой они ведут к возникновению доказуемых прогнозов. Итак, между старой натурфилософией и новой наукой возникла четкая граница, и пересекать ее ученым предлагалось на свой страх и риск (впрочем, желающих оказалось немного). Большинство физиков-исследователей занимаются изучением твердой материи, ее элементарных частиц, жидкостей, плазмы и небесных тел, от планет и звезд до галактик и их расположения в космосе. Однако с ростом наших знаний о Вселенной в ХХ и XXI веках ученые (по крайней мере те, кого интересуют космологические и фундаментальные проблемы) все чаще сталкиваются с вопросами метафизического характера, которые угрожают разрушить неприступную стену между наукой и философией. К сожалению, в большинстве случаев встречи этих двух областей человеческого знания сопряжены с невнимательностью и концептуальной неосторожностью, что лишь больше усложняет дело. Когда известные космологи делают заявления вроде «философия не имеет смысла» или «квантовая космология доказывает, что в Боге нет необходимости», они лишь ухудшают ситуацию. Для того чтобы понять, как мы оказались в такой ситуации и как она демонстрирует нам ограниченность наших знаний, нужно сначала кратко описать современную космологию – от теории Большого взрыва до концепции множественности вселенных.

Глава 8. Пластичность пространства

в которой рассказывается об общей и специальной теории относительности Эйнштейна и об их влиянии на наше понимание пространства и времени

Седьмого ноября 1919 года лондонская газета Times вышла с сенсационным заголовком: «Революция в науке. Новая теория Вселенной. Ньютон повержен». Еще через три дня эстафету подхватила New York Times: «Искаженный свет в небесах. Ученые взбудоражены результатами наблюдений за солнечным затмением. Триумф теории Эйнштейна. Звезды не то, чем кажутся, но волноваться не о чем». Эти публикации быстро превратили Эйнштейна в знаменитость. В них говорилось о том, как две команды астрономов подтвердили правильность его блестящей общей теории относительности после наблюдения за солнечным затмением на западном берегу Африки и в городе Собрал в северо-восточной Бразилии.

Эйнштейн предлагал новое видение природы гравитации. Он описывал ее не как загадочное ньютоновское «воздействие на расстоянии», а как эффект, возникающий в результате искривления пространства вокруг массивных объектов. Пространство эластично, а степень его искривления зависит от концентрации массы в том или ином регионе. Небольшие объекты слабо деформируют пространство вокруг себя, а большие вызывают более сильные изменения. Поэтому деформация вокруг человеческого тела незаметна (хотя она и существует), а вот деформация вокруг Солнца гораздо более выражена. В ходе опыта с затмением проводились измерения света дальних звезд в момент, когда они проходили рядом с Солнцем. Звезды были выбраны таким образом, чтобы Солнце находилось на пути между ними и Землей для их света. Затмение на время скрыло солнечный свет, позволив астрономам увидеть дальние звезды и сравнить их положение на небе с тем, которое наблюдалось при отсутствии Солнца как помехи. Если пространство вокруг Солнца действительно искривлено, то звездный свет отклонился бы от своего первоначального маршрута и звезды стали бы видны в других местах. Эйнштейн использовал свою теорию, чтобы рассчитать видимые глазу различия в положении звезд, возникающие в присутствии Солнца. Результаты эксперимента нельзя было назвать полностью ясными, но и их было достаточно для подтверждения его теории.

Уравнения, включенные в общую теорию относительности, можно использовать для расчета искривления пространства вокруг любого массивного объекта, а не только Солнца. По мере движения от далекого источника свет отклоняется то в ту, то в другую сторону, реагируя на пространственные неровности.

Еще в одном эксперименте Эйнштейн использовал искривление пространства для объяснения хорошо известных ученым аномалий в орбите Меркурия, перед которыми оказался бессилен закон всемирного тяготения Ньютона. Успех теории был закреплен, и очень скоро ее начали считать величайшим достижением человеческой мысли в истории.

Но на присутствие материи реагирует не только пространство, но и время. В своей специальной теории относительности, созданной в 1905 году, то есть за десять лет до выведения более общей версии, Эйнштейн показал, что время и пространство нельзя рассматривать как абсолютные величины, как было принято со времен Эйнштейна. Кроме того, нельзя и разделять их, так как они формируют единое целое – пространственно-временной континуум, в котором время играет роль четвертого измерения. Соответственно, присутствие материи (или энергии в целом) искривляет и пространство, и время (или лучше сказать «пространство-время»).

Идея пространственно-временного континуума проще, чем кажется на первый взгляд. Представьте, что вы видите у себя в комнате муху и через пять секунд убиваете ее. Когда вы заметили муху впервые, она находилась в определенной точке в пространстве, а время на «мушиных часах» составляло 0 секунд. Когда вы ее прихлопнули, местоположение мухи в пространстве изменилось и прошло 5 секунд. Для того чтобы точно указать, где и когда погибла муха, вам нужно знать точку в пространстве и момент во времени. Для того чтобы связать время с расстоянием, оно умножается на скорость. Эйнштейн выбрал для этого скорость света, которую считал самой высокой в природе. Скорость света в вакууме составляет 186 282 мили в час и обычно обозначается буквой с (от латинского celeritas – «скорость»; тот же корень используется, например, в слове acceleration – «ускорение»). За время, необходимое нам на то, чтобы моргнуть, луч света успевает семь с половиной раз обойти вокруг Земли. Если умножить значение времени (t) на скорость света, мы получим ct, а к этому значению уже можно применять единицы расстояния. Точка в четырехмерном пространстве имеет координаты ct,x, y и z, где x, y и z задают ее местоположение в трех измерениях (с севера на юг, с запада на восток и сверху вниз). Последовательность точек в пространстве-времени может рассказать нам целую историю – например, как двигалась муха между моментами, когда вы ее заметили и убили. Эта история, или путь в четырехмерном пространстве, называется мировой линией.

Для того чтобы аргументировать свою теорию, Эйнштейн весьма умно сфокусировал ее на наблюдателе, то есть на человеке (или инструменте), замеряющем расстояния и временные интервалы. Он постулировал, что два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, получат разные результаты таких измерений. В своей специальной теории Эйнштейн рассматривал лишь относительное движение с постоянной скоростью, в общей же теории учитывалось и ускорение. Теория предлагала способ согласования несоответствующих измерений, полученных двумя такими наблюдателями. Несоответствия обычно являются минимальными и определяются относительной скоростью движения между наблюдателями (v) и скоростью света (с), то есть выражаются как v/c. Различия становятся существенными только в том случае, если скорости наблюдателей приближаются к скорости света. Тем не менее они все же существуют и представляют собой еще один уровень искажений в нашем восприятии мира. Движущиеся объекты кажутся короче по направлению движения, а движущиеся часы идут более медленно. Например, объект, движущийся со скоростью, равной 60 % от скорости света, будет выглядеть на 20 % короче, а часы, движущиеся с той же скоростью, окажутся на 20 % медленнее. Когда относительная скорость движения между двумя наблюдателями достигнет скорости света, время остановится, а объект исчезнет.

В реальности подобная странная ситуация никогда не происходит, так как относительное движение имеет и еще один эффект – возрастание массы по мере увеличения скорости. Пока движущийся объект стремится к скорости света, его масса бесконечно увеличивается. Поскольку для разгона объекта с постоянно растущей массой требуется все больше энергии, а к моменту, когда масса объекта приближается к бесконечной, такой разгон и вовсе становится невозможен, специальная теория Эйнштейна говорит нам, что ни один объект, обладающий массой, не может разогнаться до скорости света. Это доступно лишь чему-то без массы, например самому свету. Кроме того, по непонятным причинам свет всегда движется в определенной среде (например, в вакууме, воздухе или воде) с постоянной скоростью относительно любого наблюдателя, какую бы скорость (ниже с) он ни развивал. Для отбивающего в бейсболе мяч летит медленнее, если подавать его против ветра, и быстрее, если ветер дует в направлении подачи. Если питчер во время броска бежит в направлении отбивающего, мяч будет лететь еще быстрее, так как скорости складываются. Однако скорость света совершенно не зависит от движения его источника – это абсолютная природная величина, не подвластная никаким изменениям. На самом деле теория относительности – это теория абсолютов, неизменных вещей в Природе, таких как законы физики и скорость света.[49]

Специальная теория относительности позволяет различным наблюдателям самостоятельно давать объяснения тому, как действует Природа, при условии, что скорость света всегда неизменна и является самой высокой скоростью передачи сигналов (и, соответственно, информации). В мире ньютоновской физики время и пространство были абсолютны, а значит, была возможна любая скорость. Предположив, что абсолютным лимитом является лишь скорость света, Эйнштейн опроверг эту теорию. Если вспомнить платоновскую аллегорию пещеры, то теория Ньютона окажется тенью на стене, видимой для существ, которые не подозревают о постоянстве скорости света и потому считают ее единственно верным описанием реальности. Разумеется, мы действительно живем в этой пещере, так как наше зрение не может делать поправку на скорость света. Специальная теория относительности – это еще одна проекция на стену пещеры, исправленная впоследствии общей теорией, в рамках которой учитывалось ускорение движения наблюдателей. После общей теории относительности Эйнштейна наше представление о мире снова изменилось и мы снова немного продвинулись к свету. У платоновской пещеры много стен. Возможно, это даже несколько пещер, расположенных одна в другой, как матрешки. Двигаясь от стены к стене, мы понимаем, что по мере расширения наших знаний о мире перед нами будут появляться все новые и новые уровни описания реальности. Все, что мы видим, – это тени на стенах. Платон мечтал о пещере, из которой есть выход к свету чистого знания, но кажется разумным предположить, что никакое знание не может быть чистым или окончательным.

Как что-то может существовать без массы? Свет – это, пожалуй, одна из величайших загадок. Даже Эйнштейн, один из ключевых исследователей его физической природы, часто признавался, как его поражают потрясающие свойства света. Мы не знаем, почему свет может распространяться как волна в вакууме, в то время как другим волнам (например, звуковым или водным) для этого требуется физическая среда. Мы не знаем, почему свет движется именно с такой скоростью и почему ничто в Природе не может его обогнать. Все, что мы можем сказать, – это что пока мы не имеем оснований посмотреть на свет по-другому. Если в уравнение добавляются свойства света, становятся возможными невероятные вещи: уменьшение расстояний, замедление времени, увеличение массы… Удивительно, но все они были подтверждены многочисленными экспериментами. GPS в вашем фитнес-браслете или автомобиле работает так точно потому, что при его создании учитывались поправки общей и специальной теории относительности к ньютоновской теории. Они изменили наше представление о пространстве, времени и материи – о Вселенной в целом. И именно Эйнштейн сделал первый шаг.

Глава 9. Беспокойная Вселенная

из которой вы узнаете о расширении Вселенной, сингулярности и начале времени

«Если пространство пластично, – рассуждал Эйнштейн, – и если оно реагирует на количество материи, то, если бы я знал, сколько материи имеется во всем космосе и как она распределена, я мог бы использовать свои уравнения, чтобы рассчитать форму Вселенной». Как мы уже отмечали, Эйнштейн сделал гигантский шаг вперед, когда всего через год после публикации своей общей теории относительности экстраполировал ее на весь космос. Точно так же когда-то поступил и Ньютон со своим законом всемирного тяготения. Эйнштейн вывел свою новую теорию из-за пределов Солнечной системы, где она уже была испытана, и распространил на всю Вселенную, будучи уверенным, что в ней действуют одни и те же физические принципы. Он предположил, что космос является сферическим и статичным, а затем продолжил упрощение. Поскольку точных данных о распределении материи в космосе получить невозможно, Эйнштейн логично предположил, что в среднем в достаточно больших объемах пространства материя распределена одинаково.[50] Такое приближение работает только для по-настоящему огромных пространств, включающих в себя миллионы галактик и простирающихся на множество световых лет. Математически это означает, что плотность материи, то есть ее количество в объеме, является примерно постоянной величиной. В больших объемах содержится больше материи в той же пропорции. Уравнения Эйнштейна определяли геометрию пространства на основании распределения материи, а значит, геометрия должна была отражать эту однородность, выражая ее в простейшей из возможных форм – в сфере. Эйнштейну удалось рассчитать «радиус» этого сферического космоса, а чтобы сделать свою модель стабильной, он добавил в нее странную константу, которую мы сегодня называем космологической постоянной. На этом он прекратил работу, будучи уверенным, что его теория (с некоторыми поправками и коррективами) может ответить на один из старейших вопросов в истории: «Какую форму имеет космос?»

В 1929 году, всего через 12 лет после публикации работы Эйнштейна, ставшей первым трудом по современной космологии, все резко изменилось. Американский астроном Эдвин Хаббл опубликовал результаты своих наблюдений за дальними галактиками, указывающие на то, что они удаляются от Млечного Пути со скоростями, пропорциональными расстоянию до них. Иными словами, галактика, находящаяся в два раза дальше от нашей, чем ее соседка, двигалась в два раза быстрее. В распоряжении Хаббла имелся самый большой телескоп того времени, рефлектор диаметром 100 дюймов, установленный на горе Маунт-Вилсон в Калифорнии.[51] С его помощью он мог видеть дальше и точнее, чем кто-либо до него. Примерно за десять лет до этого Весто Слайфер писал о том, что свет далеких галактик имеет тенденцию отклоняться в красную часть спектра сильнее, чем более близких. Сегодня данное явление известно как красное смещение. Что оно могло означать? Ответ на этот вопрос был получен австрийским физиком Кристианом Доплером еще в XIX веке. Любая волна растягивается по мере смещения ее источника (или наблюдателя). Мы знаем это из экспериментов со звуковыми волнами. Например, по мере того, как машина скорой помощи с включенной сиреной подъезжает ближе к нам, высота звука постепенно повышается, а когда она удаляется от нас, звук становится ниже. Доплер предположил существование этого эффекта в 1842 году, а в 1845 году подтвердил его с помощью эксперимента с участием поезда и нескольких музыкантов, дующих в рога.[52] «Эффект Доплера» распространяется и на световые волны, но здесь вместо высоты звука варьируется частота (при этом у синего цвета она выше, чем у красного). Итак, когда астрономы говорят о красном смещении, они имеют в виду растяжение световых волн в результате удаления источника. Синее смещение, наоборот, означает, что источник (или наблюдатель) приближается. Благодаря Доплеру рождается потрясающая связь между повседневным и космическим: теперь каждый раз, заслышав на улице сирену скорой помощи, вы можете думать о миллиардах галактик, разбегающихся в небесах.

Итак, в очередной раз мощный новый инструмент изменил наш взгляд на Вселенную. Еще до Эдвина Хаббла некоторые теоретики размышляли о том, что она может не быть статичной, что, вполне вероятно, она изменяется со временем. Первым подобную мысль высказал голландский ученый Виллем де Ситтер, критиковавший кажущуюся необоснованной идею Эйнштейна о статичном космосе: «Все экстраполяции неточны… Перед нами лишь фотоснимок мира, и мы не можем и не должны утверждать…что мир навсегда останется таким же, как и в момент съемки».[53] Пытаясь понять поведение материи в бесконечной Вселенной, де Ситтер в 1917 году предложил другую модель, которая предполагала почти полное отсутствие в космосе материи. Единственным вкладом Эйнштейна в эту концепцию пространства-времени был сам придуманный им термин «пространство-время». С помощью уравнений де Ситтер продемонстрировал, что любой материальный объект должен двигаться со все возрастающим ускорением. Еще через несколько лет русский метеоролог Александр Фридман, приверженец теории Эйнштейна, математически доказал, что ни одно из уравнений общей теории относительности не указывало на обязательную статичность Вселенной. Наоборот, с течением времени она могла расширяться или сжиматься, как воздушный шарик. В таком случае плотность материи также изменялась бы со временем – уменьшаясь при расширении и увеличиваясь при сжатии (представьте себе, что вы переставляете мебель из маленькой комнаты в большой зал или, наоборот, из гостиной в чулан и как от этого меняется количество свободного пространства). Открытый Хабблом закон линейного расширения (указывающий на то, что скорость расхождения далеких галактик пропорциональна расстоянию до них) подтвердил правоту Фридмана. Незачем было делать космос статичным, а тем более вводить для этого искусственные постоянные.[54]

Концепция расширяющейся Вселенной часто вводит людей в замешательство. Большинство наивно (и неверно) представляет расширение чем-то вроде взрыва бомбы, а галактики – осколками, разлетающимися к краям космоса. Почему эта картина неверна? Потому, что она предполагает, что космос остается неизменным, а галактики движутся по нему, хотя на самом деле происходит совершенно противоположный процесс – пространство расширяется и тащит за собой галактики, как течение реки – мелкие щепки. Это космическое движение даже называют потоком Хаббла. Разумеется, гравитационное притяжение, возникающее между галактиками или их группами (галактическими кластерами), может вызывать отклонения от потока, называемые пекулярными движениями. Например, наша ближайшая галактическая соседка, Андромеда, движется по направлению столкновения с Млечным Путем. Моделирование и данные, полученные с помощью телескопа «Хаббл», указывают на то, что это произойдет примерно через четыре миллиарда лет.[55]

Открытие Хаббла и его подтверждение подняли представления о пластичности пространства до новых высот. Наблюдая за локальными отклонениями вблизи звезд, мы можем видеть, что теория Эйнштейна верно предсказывает растяжение пространства как реакцию на содержащуюся в нем материю (по крайней мере в наблюдаемой Вселенной, так как ни о чем ином мы не можем говорить с определенностью). Но все становится гораздо интереснее, когда мы задумываемся, что было до расширения, то есть когда заглядываем в прошлое. Если сейчас космос растет, значит, в прошлом галактики находились ближе друг к другу. Чем дальше мы проникаем в прошлое в нашем мысленном эксперименте, тем меньше становится расстояние между ними. Так происходит до тех пор, пока все они не оказываются сжатыми в одной точке. Но как это возможно? Как все сущее может уместиться в одной точке в пространстве? Все еще больше усложняется, когда мы понимаем, что точка – это всего лишь математическая концепция, не существующая в реальном мире. Как же тогда объяснить происходящее? Теория Хаббла описывает космос, существование которого началось в определенный момент в прошлом. Эта точка начала называется сингулярностью.

В 1960-х годах физики Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали, что, принимая во внимание разумные предположения о характеристиках материи, любая расширяющаяся вселенная должна иметь в своем прошлом сингулярность. Но вот в чем состоит затруднение: так как при движении назад во времени объем космоса постоянно уменьшается, а вся материя постепенно сжимается в одну точку, плотность этой точки постоянно растет. Представьте себе забитый людьми вагон метро, который сначала уменьшили до размера консервной банки, потом – горошины, затем – атома и т. д. Очевидно, что плотность материи станет при этом бесконечно высокой, а пространство вокруг нее окажется бесконечно искривленным. Время остановится, так как сингулярность достигается при t = 0 (начало времени). Но ни одна физическая теория не может безнаказанно оперировать бесконечными величинами. Значит, что-то должно быть не так.

Когда математики сталкиваются с сингулярностью (например, при делении любого числа на ноль), они, так сказать, изучают ее границы, чтобы найти выход из нее. К примеру, вместо деления на ноль можно использовать деление на бесконечно малое число. Возможно, существует путь, при котором можно избежать сингулярности, но все равно попасть в нужную точку (то есть обойти ее, как вы объезжаете яму на дороге). В физике наличие сингулярности – это серьезный звоночек, показывающий, что теория, которую вы используете, скорее всего, неверна. В ней чего-то не хватает, и это что-то обычно включает в себя новую физику. Например, использование законов Ньютона для объяснения того, как ведут себя тела на скоростях, близких к световым, ведет к появлению ошибок – неверных теней на стене платоновской пещеры. Сегодня мы знаем, что для получения ответов нужно применять специальную теорию относительности Эйнштейна. То же касается и сильной гравитации: ньютоновские законы хороши для описания достаточно слабого гравитационного притяжения, но требуют корректирования рядом с массивными объектами (например, Солнцем).

Ни одна теория не является полной или окончательной. Новые значения требуют новых формул, а те, в свою очередь, – новых экспериментальных подтверждений, зависящих от доступных технологий. В поисках предсказанных эффектов для тестирования своих теорий ученые частенько сталкиваются с чем-то неожиданным, толкающим их назад к расчетам и, вполне возможно, к новым знаниям. Большинство физиков, участвовавших в поисках бозона Хиггса и работавших на Большом адронном коллайдере в Швейцарии, с гораздо большей радостью обнаружили бы частицу, не соответствующую предсказаниям Стандартной модели физики частиц. Неожиданности ведут к изменениям.

Космическая сингулярность указывает на необходимость в новой физике, выходящей за пределы, которые устанавливает общая теория относительности Эйнштейна. Поскольку в самом начале времен расстояния были крайне небольшими, такая новая физика должна объяснить, как пространство, время и материя действуют на коротких дистанциях. Физика макромира сталкивается с микромиром. Мы вступаем в царство «квантовой гравитации», в котором общая теория относительности сочетается с квантовой физикой (физикой атомов и субатомных компонентов). Происходит невероятный скачок – исследования Вселенной и ее истории приводят нас к мельчайшим единицам материи. Насколько нам известно сегодня, макро – и микромир накрепко связаны между собой. Ученые не смогут понять происхождение Вселенной до тех пор, пока не узнают, как квантовая физика влияет на геометрию пространства-времени. Но перед тем, как мы перейдем к этому вопросу, давайте рассмотрим некоторые из фундаментальных последствий влияния современной космологии на границы наших знаний. Начнем с конечности скорости света и понятия «сейчас».

Глава 10. Нет никакого «сейчас»

из которой мы узнаем, что понятие «сейчас» – это ошибка восприятия

Что происходит, когда мы что-то видим? К примеру, вот эту книгу, которую вы сейчас читаете. Оставим в стороне весь процесс обработки визуальной информации мозгом и сфокусируемся на времени ее передачи. Для еще большего упрощения мы будем рассматривать лишь классическое распространение света без учета того, как он поглощается и излучается атомами. В вашей комнате светло, потому что у вас открыто окно, или включена лампа, или и то и другое. Так или иначе, поток света попадает на поверхность книги, частично поглощается ею, а частично отражается в различных направлениях. Бумага и чернила, с помощью которых на ней напечатан текст, поглощают и излучают свет по-разному, и эти различия воплощаются в отраженном свете. Затем часть этого отраженного света попадает от книги в ваши глаза, и благодаря невероятной способности мозга декодировать сенсорную информацию вы видите слова на странице.

Вам кажется, что весь этот процесс происходит в одно мгновение. Вы можете сказать: «Я читаю это слово прямо сейчас». Но в реальности это не так. Поскольку свет движется с конечной скоростью, ему требуется время для того, чтобы отразиться от страницы вам в глаза. Когда вы читаете слово, на самом деле вы видите, как оно выглядело в определенный момент в прошлом. Если быть точным, то, при условии, что вы держите книгу в одном футе от лица, время движения света от нее до ваших глаз составит одну наносекунду, или одну миллиардную долю секунды.[56] То же самое происходит с каждым предметом, который вы видите, и с каждым человеком, с которым ведете разговор. Оглядитесь вокруг. Вам кажется, что вы видите все предметы одновременно («сейчас»), вне зависимости от расстояний, на которых они находятся. Но в реальности это не так, потому что отражающемуся от них свету требуется разное время, чтобы достигнуть ваших глаз. Мозг интегрирует различные источники визуальной информации, и, так как различия во времени движения света гораздо меньше, чем может различить ваш глаз и обработать ваш мозг, вы не видите разницы. Настоящее, то есть совокупность всей входящей информации от органов чувств, которую мы получаем в данный момент, – это всего лишь убедительная иллюзия.

Как бы быстро нервные импульсы ни двигались по волокнам нервной ткани, их скорость все равно меньше скорости света. Средняя скорость нервного импульса составляет 60 футов в секунду, хотя это значение может варьироваться в зависимости от человека и типа нерва. Итак, нервный импульс проходит один фут за 16 миллисекунд (тысячных долей секунды). Для сравнения, свет за это время покрывает дистанцию 2980 миль – это примерно как от Нью-Йорка до Сан-Диего.

Давайте проведем мысленный эксперимент, иллюстрирующий влияние этих временных различий. Представьте себе, что у нас есть два источника света, которые одновременно включаются каждую секунду. Один из них установлен в 10 ярдах от наблюдателя, а другой постепенно удаляется от него по прямой. Теперь представьте, как они медленно расходятся в пространстве, все еще включаясь одновременно каждую секунду. Наблюдатель начнет замечать разницу во времени включения, когда расстояние между ними превысит 2980 миль. Поскольку наше зрение не позволяет нам видеть так далеко, наше восприятие одновременности кажется нам очень надежным даже для больших расстояний. Для того чтобы проверить эту теорию, можно провести альтернативный и более реалистичный опыт – настроить источники света так, чтобы они включались с небольшой задержкой во времени, и проверить, когда наблюдатель заметит разницу. Если мои расчеты верны, это произойдет, когда временной интервал превысит 20 миллисекунд. Данный промежуток времени – граница человеческого восприятия одновременности визуальных явлений.

Все эти аргументы приводят нас к поразительному выводу: настоящее существует, потому что наш мозг размывает реальность. Иными словами, гипотетический мозг, обладающий способностью к невероятно быстрому визуальному восприятию, заметил бы, что два источника света не синхронизированы, гораздо раньше. Для такого мозга слово «сейчас» означало бы куда меньший промежуток времени, чем для нас. Итак, помимо описанной Эйнштейном относительности одновременности для одного или нескольких движущихся наблюдателей существует еще и относительность одновременности на когнитивном уровне, возникающая в результате субъективного восприятия одновременности (момента «сейчас») человеком или, если говорить в общем, любым мозгом или аппаратом, способным распознавать свет.[57]

Каждый человек – это остров восприятия. Глядя на океан, мы видим горизонт – линию, разделяющую небо и воду, дальше которой наш взгляд проникнуть не в силах. Точно так же наши горизонты восприятия представляют собой все явления, которые наш мозг считает происходящими одновременно, даже если на самом деле это не так. Горизонт восприятия очерчивает границы нашего настоящего. Для того чтобы описать область настоящего, я использую скорость света, самую высокую скорость в Природе. Если бы мы ориентировались по скорости звука, которая составляет всего 1126 футов в секунду в сухом воздухе при температуре 68 градусов по Фаренгейту, наша область настоящего была бы куда меньше. Вспомните, как две молнии, ударяющие на разном расстоянии от вас, выглядят одинаково, но звучат по-разному.