Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Рис. 2.4. Линии поля заполняют пространство. Благодаря им происходит взаимодействие двух электрически заряженных объектов. Сила взаимодействия этих объектов «переносится» силовыми линиями поля

Когда вы берете в руки два магнита и играете с ними, попеременно сближая и удаляя их друг от друга, то чувствуете силу, с которой они притягиваются или отталкиваются. Благодаря этим эффектам вы «ощущаете» поле, находящееся между магнитами, и можете прийти к той же догадке, что и Фарадей.

Эта идея кардинальным образом отличается от ньютоновского представления о силе, действующей между удаленными телами. Но она понравилась бы Ньютону. Он на самом деле был озадачен тем самым притяжением на расстоянии, которое сам же и ввел в оборот. Каким образом Земле удается притягивать к себе Луну, которая находится так далеко? Каким образом Солнце притягивает Землю, не вступая с ней в соприкосновение? В одном из писем он замечает:

Непостижимо также, чтобы неодушевленная грубая материя (без Божественного вмешательства) влияла бы и воздействовала бы на другую материю, не вступая с последней в прямой контакт…[45]

А страницей далее он даже пишет:

То, что тяготение должно быть врожденным, внутренне присущим материи и существенным для нее, дабы одно тело могло воздействовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства какого-либо агента, посредством и при участии которого действие и сила могли бы передаваться от одного <тела> к другому, представляется мне столь вопиющей нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее. Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно действующим по определенным законам; материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям.[46]

Ньютон называет абсурдом свой собственный шедевр – ту самую работу, которая веками восхваляется как высшее достижение науки! Он понимает, что за действием на расстоянии в его теории должно стоять еще что-то, но у него нет идей, что бы это могло быть, и он предоставляет об этом вопросе… «судить читателям»!

Для гения характерно понимать пределы собственных находок, даже в случае таких выдающихся достижений, как открытие Ньютоном законов механики и всемирного тяготения. Теория Ньютона прекрасно работает, она оказалась настолько полезной, что в течение двух столетий никто даже не пытался ставить ее под сомнение, – пока Фарадей, «читатель», которому Ньютон завещал свой неразрешенный вопрос, не нашел ключ к разумному пониманию того, как тела притягивают и отталкивают друг друга на расстоянии. Позднее Эйнштейн применит блестящую идею Фарадея к самой ньютоновской теории гравитации.

Введя новую сущность – поле, он радикально отошел от элегантной и простой ньютоновской онтологии: мир больше не состоит только из частиц, которые с ходом времени движутся в пространстве. На сцене появляется новое действующее лицо – поле. Фарадей понимает всю важность совершаемого им шага. В его книге есть прекрасные пассажи, где он задается вопросом, существуют ли в реальности эти силовые линии. После периода сомнений и тщательного анализа он делает вывод, что может думать о них как о реальных, но с «осторожностью, которая необходима, когда сталкиваешься с глубочайшими вопросами науки»[47]. Он осознает, что предлагает не что иное как изменение картины мира после двух столетий непрерывных успехов ньютоновской физики (рис. 2.5).

Максвелл быстро осознает, что эта идея вскрывает золотую жилу. Он превращает прозрение Фарадея, которое тот излагает лишь словами, в страницу уравнений[48]. Они известны теперь как уравнения Максвелла и описывают поведение электрического и магнитного полей – математическое представление «линий Фарадея»[49].

Рис. 2.5. Мир Фарадея и Максвелла: частицы и поля, которые движутся в пространстве с течением времени

Сегодня уравнения Максвелла каждодневно используются для описания всех электрических и магнитных явлений, для проектирования антенн, радиоприемников, электрических двигателей и компьютеров. И это еще не всё: те же самые уравнения нужны для объяснения того, как устроены атомы (они скрепляются электрическими силами), почему частицы вещества, образующего камень, соединяются друг с другом, как устроено Солнце. Они описывают невероятное число самых разных явлений. Почти все, что мы наблюдаем в окружающем мире, за исключением гравитации и еще нескольких явлений, прекрасно описывается уравнениями Максвелла.

Но есть еще один очень важный момент – то, что может считаться самым прекрасным достижением науки: уравнения Максвелла объясняют нам, что такое свет.

Максвелл обнаружил, что, согласно его уравнениям, линии Фарадея могут колебаться и двигаться волнообразно, подобно волнам на поверхности моря. Он вычислил скорость, с которой движутся волны фарадеевых линий, и эта величина оказалась… равной скорости света! Почему? Максвелл понял: потому что свет – это не что иное, как быстрые колебания фарадеевых линий! Фарадей и Максвелл не только поняли, как устроены электричество и магнетизм, но и заодно, как побочный эффект, объяснили, что такое свет.

Мы видим окружающий мир цветным. Что такое цвет? Упрощенно говоря, это частота (скорость колебаний) электромагнитной волны, представляющей собой свет. Если волна колеблется быстрее, свет голубеет. Если чуть медленнее – краснеет. Цвет, как мы его воспринимаем, – это психофизиологическая реакция на нервные импульсы, порождаемые рецепторами в наших глазах, которые различают электромагнитные волны разной частоты.

Я могу только догадываться, что почувствовал Максвелл, когда понял, что его уравнения, выведенные для описания катушек, клеток и иголок в лаборатории Фарадея, объясняют природу света и цвета…

Свет, таким образом, – это не что иное, как быстрые колебания паутины фарадеевых линий, которые волнуются, подобно поверхности моря под порывами ветра. Неправда, будто мы не видим фарадеевых линий. Просто мы видим только их колебания. Видеть – значит воспринимать свет, а свет – это движение фарадеевых линий. Ничто не перескакивает из одного места в пространстве в другое без какого-либо переносчика. И если мы видим ребенка, играющего на морском берегу, то лишь потому, что между ним и нами простирается море вибрирующих линий, которые доносят до нас его изображение. Ну разве этот мир не чудесен?

Это поистине выдающееся открытие, но им дело не ограничивается. Прямым его следствием становится вывод, имеющий для нас колоссальное значение. Максвелл понимает, что, согласно его уравнениям, фарадеевы линии могут колебаться на значительно меньших частотах, то есть гораздо медленнее, чем свет. Следовательно, должны существовать другие волны, которых никто еще не видел, порожденные движением электрических зарядов и способные, в свою очередь, перемещать электрические заряды. Должна быть возможность потрясти электрический заряд здесь и породить волну, которая вызовет электрический ток там. Всего несколькими годами позже эти волны, теоретически предсказанные Максвеллом, будут обнаружены немецким физиком Генрихом Герцем. А еще через несколько лет Гульельмо Маркони создаст первое радио.

Все современные коммуникационные технологии – радио, телевидение, телефоны, компьютеры, спутники, Wi-Fi, интернет и т. п. – являют собой прикладные применения максвелловских предсказаний; уравнение Максвелла – это основа всех расчетов, выполняемых инженерами в области телекоммуникаций. Современный мир, основанный на коммуникациях, родился из догадки бедного лондонского переплетчика – искусного исследователя идей, обладавшего живым воображением, – который своим мысленным взором увидел некие линии, а также из работы хорошего математика, который перевел его образы в уравнения и понял, что волны этих линий в мгновение ока могут переносить новости с одного конца планеты на другой.

Рис. 2.6. Из чего состоит наш мир?

Наши современные технологии основаны на использовании физических объектов – электромагнитных волн, – которые не были открыты эмпирически: они были предсказаны Максвеллом путем поиска математического описания, соответствующего догадке Фарадея, возникшей из возни с катушками и иголками. Такова поразительная мощь теоретической физики.

Мир изменился: он больше не состоит только из частиц в пространстве, теперь это частицы и поля в пространстве (рис. 2.6). Может показаться, что это незначительное изменение, но несколько десятилетий спустя молодой человек еврейского происхождения, гражданин мира, сделает из этого выводы, которые пойдут намного дальше того, что могло нарисовать себе буйное воображение Майкла Фарадея, и которые до основания потрясут ньютоновский мир.

Часть II

Начало революции

Физика XX столетия кардинально изменила ньютоновский образ мира. Новые открытия стали основой значительной части современных технологий. Более глубокое понимание мира основано на двух теориях: общей теории относительности и квантовой механике. Обе они потребовали смелой переоценки наших привычных представлений о мире: о пространстве и времени – в теории относительности, о материи и энергии – в квантовой теории.

Во второй части книги я довольно подробно описываю эти две теории, пытаясь прояснить их глубинный смысл и подчеркнуть ту концептуальную революцию, которую они произвели. Именно здесь берет начало волшебство физики XX столетия. Изучать эти теории и пытаться понять их до самой глубины – это поистине восхитительное приключение.

Эти две теории – относительность и кванты – заложили основу, на которой мы сегодня строим квантовую теорию гравитации. Они служат фундаментом, отталкиваясь от которого мы пытаемся двигаться вперед.

3

Альберт

Отец Альберта Эйнштейна строил электростанции в Италии. Когда Альберт был ребенком, уравнениям Максвелла было всего несколько десятков лет от роду, но Италия уже входила в эпоху промышленной революции, и турбины с трансформаторами, которые строил отец Эйнштейна, основывались на этих уравнениях. Мощь новой физики была очевидна для всех.

Альберт был бунтарем. Родители оставили его в Германии для завершения школьного образования, однако он считал немецкую школьную систему слишком жесткой и военизированной; он не смог смириться со школьными порядками и бросил учебу. Вернувшись к родителям в Италию, в Павию, он проводил время в безделье. Затем он отправился учиться в Швейцарию, но не смог сразу поступить в Цюрихский политехникум, куда стремился. После университета он не смог получить исследовательскую позицию и, чтобы заработать на жизнь себе и своей гражданской жене, нанялся на работу в патентный офис в Берне.

Это было не самое завидное место для дипломированного физика, однако оно обеспечило Альберту время для размышлений и независимой работы. И он размышлял и работал. В конце концов, именно этим он занимался с самой ранней юности: вместо того чтобы учиться в школе, он читал «Начала» Евклида и «Критику чистого разума» Канта. Ведь невозможно попасть в новые места, следуя проложенным трассам.

В возрасте 25 лет Эйнштейн отправляет в Annalen der Physik три статьи. Каждая из них была как минимум достойна Нобелевской премии и даже большего. И каждая стала опорой для нашего понимания мира. Я уже рассказывал о первой из этих статей, в которой молодой Альберт вычислил размеры атомов и доказал спустя 23 столетия, что идеи Демокрита были верны – материя зерниста.

Вторая статья принесла Эйнштейну наибольшую славу – именно в ней он представил свою теорию относительности. Именно теории относительности и посвящена эта глава.

На самом деле существует две теории относительности. Конверт, отправленный в редакцию двадцатипятилетним Эйнштейном, содержал изложение первой из них – теории, которую сегодня мы называем специальной теорией относительности. Она дает важное уточнение структуры пространства и времени, которое я проиллюстрирую здесь, прежде чем переходить к другой, более важной, теории Эйнштейна – общей теории относительности.

Специальная теория относительности – это тонкая и концептуально сложная теория. Ее труднее усвоить, чем общую теорию относительности. Читателю не следует пугаться, если следующие несколько страниц покажутся ему не очень простыми для понимания. Эта теория впервые показывает, что в ньютоновской картине мира не просто чего-то не хватает, но она должна быть радикально изменена, причем таким образом, что станет полностью противоречить здравому смыслу. Это первый реальный шаг к пересмотру наших самых глубоких интуитивных представлений о мире.

Расширенное настоящее

Теории Ньютона и Максвелла противоречат друг другу в одном тонком моменте. Из уравнений Максвелла выводится величина скорости – скорости света. Однако ньютоновская механика несовместима с существованием фундаментальной скорости, поскольку в уравнения Ньютона входит ускорение, а не скорость. В ньютоновской физике скорость может быть только скоростью чего-то относительно чего-то другого. Галилей подчеркивал тот факт, что Земля движется относительно Солнца, даже если мы не воспринимаем это движение, поскольку то, что мы обычно называем скоростью, – это скорость относительно Земли. Именно это мы имеем в виду, говоря, что скорость – это относительная величина, то есть скорость объекта самого по себе не имеет смысла, единственная скорость, которая существует, – это скорость одного объекта относительно другого. Это то, что изучали студенты-физики в XIX веке, и то, что они изучают сегодня. Но если это так, то относительно чего определена скорость света, выводимая из уравнений Максвелла?

Одна из возможностей разрешения этого спорного вопроса состоит в том, что существует некая универсальная среда, по отношению к которой свет и движется со своей скоростью. Однако положения теории Максвелла выглядят независимыми от этой среды. Все экспериментальные попытки измерить скорость Земли по отношению к этой гипотетической среде, предпринимавшиеся в конце XIX века, закончились неудачей.

Эйнштейн утверждал, что на верный путь его навели не эксперименты, а только видимые противоречия между уравнениями Максвелла и механикой Ньютона. Он задался вопросом: можно ли каким-то образом совместить ключевые открытия Ньютона и Галилея с теорией Максвелла?

Занимаясь этим, Эйнштейн пришел к удивительному открытию. Чтобы понять его, подумайте обо всех прошлых, настоящих и будущих событиях (по отношению к тому моменту, когда вы читаете этот текст) и представьте их изображенными как на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Пространство и время до Эйнштейна

Итак, открытие Эйнштейна заключается в том, что эта схема некорректна. В действительности все устроено примерно так, как показано на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Структура пространства-времени. Для каждого наблюдателя «расширенное настоящее» – это промежуточная зона между прошлым и будущим

Между прошлым и будущим для некоторого события (например, между прошлым и будущим для вас, там, где вы в данный конкретный момент находитесь) существует «промежуточная зона», или «расширенное настоящее», зона, которая не является ни прошлым, ни будущим. Это открытие сделано в рамках в специальной теории относительности.

Длительность этой промежуточной зоны[50], которая не находится ни в вашем прошлом, ни в вашем будущем, очень мала и зависит от того, где относительно вас происходит событие (см. рис. 3.2): чем больше расстояние от вас до события, тем больше длительность расширенного настоящего. На расстоянии нескольких метров от вашего носа, дорогой читатель, продолжительность того, что является для вас промежуточной зоной (ни прошлым, ни будущим), не превышает нескольких наносекунд – это почти ничто (в одной секунде столько же наносекунд, сколько секунд в 30 годах). Это намного меньше, чем вы способны заметить. На другой стороне океана длительность этой промежуточной зоны составляет тысячную долю секунды, что всё еще ниже порога нашего восприятия времени: минимальный отрезок времени, который мы способны ощутить, – порядка сотой доли секунды. Однако на Луне продолжительность расширенного настоящего составляет уже секунды, а на Марсе – около четверти часа. Таким образом, можно сказать, что на Марсе есть события, которые в данный конкретный момент уже случились, события, которым еще предстоит случиться, но есть также четверть часа, в течение которых происходят события, которые не принадлежат ни нашему прошлому, ни нашему будущему.

Они находятся где-то еще. Никогда прежде мы не догадывались о существовании этого «где-то еще», поскольку вблизи нас это «где-то еще» слишком скоротечно; мы недостаточно проворны, чтобы его заметить. Но оно существует, и оно реально.

Именно поэтому нельзя поддерживать непринужденную беседу между Землей и Марсом. Допустим, я нахожусь на Марсе, а вы здесь. Я задаю вам вопрос, а вы отвечаете сразу, как только услышите, что я сказал; ваш ответ приходит ко мне спустя четверть часа после того, как я задал вопрос. Эта четверть часа – время, которое не является ни прошлым, ни будущим по отношению к тому моменту, когда вы мне ответили. Принципиальный факт, касающийся устройства мира, понятый Эйнштейном, состоит в том, что эта четверть часа неустранима: нет способа ее сократить. Она вплетена в ткань событий пространства и времени: мы не можем укоротить ее точно так же, как не можем послать письмо в прошлое.

Это странно, но наш мир устроен именно так. Это так же странно, как тот факт, что в Сиднее люди живут «вверх ногами»: странно, но правда. Мы привыкли к этому факту, который теперь кажется нормальным и разумным. Это структура пространства и времени, и она именно такова.

Рис. 3.3. Относительность одновременности

Из сказанного следует, что бессмысленно говорить о событии на Марсе, что оно происходит «прямо сейчас», просто потому, что никакого «прямо сейчас» не существует (рис. 3.3.)[51].

Если выражаться более строго, то Эйнштейн понял, что не существует «абсолютной одновременности»: во Вселенной нет такого множества событий, которые происходят «сейчас». Совокупность всех событий во Вселенной нельзя описать как последовательность моментальных «сейчас» – настоящих, следующих одно за другим; она имеет более сложную структуру, показанную на рис. 3.2. Мы видим там то, что в физике называют пространством-временем – это набор всех прошлых и будущих событий, но также и тех, которые «ни в прошлом, ни в будущем»; последние не образуют единого мгновения: у них самих есть длительность.

Для галактики Андромеды длительность этого расширенного настоящего по отношению к нам составляет два миллиона лет. Все, что происходит в течение этих двух миллионов лет, не является ни прошлым, ни будущим по отношению к нам. Если бы дружественная высокоразвитая цивилизация в Андромеде решила отправить к нам с визитом эскадру звездолетов, то не было бы смысла спрашивать, эскадра «сейчас» уже вылетела или еще нет. Единственный осмысленный вопрос: когда мы получим первый сигнал от этой эскадры? Начиная с этого момента, но не ранее, отправление эскадры оказывается в нашем прошлом.

Открытие такой структуры пространства-времени, сделанное молодым Эйнштейном в 1905 году, имело серьезные последствия. Тот факт, что пространство и время тесно связаны между собой, как показано на рис. 3.2, потребовал тонкой реструктуризации ньютоновской механики, которую Эйнштейн быстро осуществил в 1905 и 1906 годах. Первый результат этой реструктуризации состоит в том, что пространство и время сплавляются в единую концепцию пространства-времени, а электрическое и магнитное поля аналогичным образом сплавляются в единую сущность, которую сегодня мы называем электромагнитным полем. Сложные уравнения, записанные Максвеллом для двух полей, значительно упрощаются, когда переформулируются на этом новом языке.

Есть еще один вывод этой теории, который влечет за собой очень серьезные последствия. В новой механике концепции энергии и массы объединяются и сплавляются воедино, подобно тому как объединились время и пространство, электрическое и магнитное поля. До 1905 года незыблемыми считались два общих принципа – сохранения массы и сохранения энергии. Первый из них был всесторонне проверен химиками: масса никогда не меняется в химических реакциях. Второй – сохранение энергии – непосредственно вытекал из уравнений Ньютона и рассматривался как один из самых бесспорных законов. Однако Эйнштейн понимает, что энергия и масса – это две грани одной сущности, подобно тому как электрическое и магнитное поля – это две стороны одного и того же поля, а пространство и время – две грани одной сущности, пространства-времени. Это означает, что масса сама по себе не сохраняется и энергия – как ее воспринимали в то время – тоже не является независимо сохраняющейся величиной. Они могут превращаться друг в друга: существует только один закон сохранения, а не два. Сохраняется сумма массы и энергии, но не каждая из них по отдельности. Должны существовать процессы, которые преобразуют энергию в массу, а массу – в энергию.

Несложный расчет показал Эйнштейну, как много энергии получается при преобразовании одного грамма массы. Результат выражается знаменитой формулой E = mc2. Поскольку скорость света c – это очень большая величина, а c2 – еще большая, энергия, получаемая из одного грамма массы, колоссальна. Это энергия миллионов одномоментно взорвавшихся бомб: ее достаточно, чтобы месяцами освещать город и питать промышленность страны или, напротив, чтобы в одну секунду уничтожить сотни тысяч человеческих жизней в таком городе, как Хиросима.

Теоретические рассуждения молодого Эйнштейна перенесли человечество в новую эру – эру ядерной энергии, новых возможностей и новых опасностей. Сегодня благодаря интеллекту этого молодого бунтаря, не выносившего жестких правил, мы получили средства, способные обеспечить светом жилища 10 миллиардов людей, которые вскоре будут населять нашу планету, средства для космических путешествий к другим звездам, а также средства, позволяющие уничтожить друг друга и разрушить планету. Все зависит от нашего выбора: каких лидеров мы призовем принимать для нас решения.

Сегодня структура пространства-времени, предложенная Эйнштейном, хорошо понята и многократно проверена в лабораториях, она считается надежно установленной. Время и пространство – не такие, какими они представлялись со времен Ньютона. Пространство не существует независимо от времени. В расширенном пространстве (рис. 3.2) нет какого-то выделенного среза, который с бо́льшим основанием, чем другие, можно было бы назвать «пространство сейчас». Наше интуитивное представление о настоящем как о единстве всех событий, происходящих «сейчас» во Вселенной, – это результат нашей слепоты, нашей неспособности воспринимать малые временные интервалы. Это необоснованная экстраполяция нашего ограниченного опыта.

Представление о настоящем, подобно представлению о плоской Земле, является иллюзией. Мы представляли себе Землю плоской в силу ограниченности наших чувств, поскольку мы не могли видеть намного дальше своего носа. Если бы мы жили на астероиде диаметром несколько километров, как планета Маленького Принца, мы легко представили бы себе, что находимся на сфере. Если бы наш мозг и наши органы чувств давали нам более точное восприятие и мы легко воспринимали бы наносекундные отрезки времени, нам никогда бы не пришло в голову, что «настоящее» простирается повсюду. Мы бы свободно воспринимали существование промежуточной зоны между прошлым и будущим. Мы бы хорошо понимали, что слова «здесь и сейчас» имеют смысл, но слово «сейчас», обозначающее события, «происходящие в данный момент» по всей Вселенной, не имеет смысла. Оно подобно вопросу о том, находится наша Галактика «выше или ниже» галактики в Андромеде, не имеет смысла, поскольку понятия «выше» и «ниже» наделены смыслом только на поверхности Земли, а не в космосе. Во Вселенной нет «верха» и «низа». И аналогичным образом два события в ней далеко не всегда связаны отношениями «до» или «после». Получившуюся в результате структуру из сплетенных между собой пространства и времени, как это изображено на рис. 3.2 и 3.3, физики называют пространством-временем (рис. 3.4).

Когда журнал Annalen der Physik опубликовал статью Эйнштейна, внезапно прояснившую все эти вопросы, это произвело грандиозное впечатление на физическое сообщество. Явные противоречия между уравнениями Максвелла и ньютоновской физикой были хорошо известны, но никто не знал, как их разрешить. Эйнштейновское решение, поразительное и чрезвычайно элегантное, стало для всех неожиданностью. Рассказывают, как в тускло освещенных старых залах Краковского университета строгий профессор физики, оторвавшись от своих занятий, потрясал эйнштейновской статьей и кричал: «Родился новый Архимед!»

Рис. 3.4. Из чего состоит мир?

Но, несмотря на бурную реакцию, спровоцированную прорывом, который совершил Эйнштейн в 1905 году, мы еще не добрались до его подлинного шедевра. Триумфом Эйнштейна стала его вторая теория относительности – общая теория относительности, опубликованная десятью годами позднее, когда ему было тридцать пять.

Теория «общей относительности» – это самая красивая теория, порожденная физикой, и первый столп квантовой гравитации. Она является стержневой темой для всей этой книги. Именно здесь начинается подлинная магия физики XX века.

Самая красивая из всех теорий

После публикации специальной теории относительности Эйнштейн становится знаменитым физиком и получает приглашения на работу от множества университетов. Но его продолжает кое-что беспокоить: специальная теория относительности не согласуется с тем, что известно о гравитации. Он понимает это в ходе написания обзора своей теории и задумывается, не следует ли пересмотреть общепризнанную теорию всемирного тяготения, созданную отцом физики Ньютоном, чтобы добиться совместимости с его теорией относительности?

Источник проблемы понять нетрудно. Ньютон хотел объяснить, почему предметы падают, а планеты вращаются по орбитам. Он придумал «силу», которая притягивает все тела друг к другу, – силу гравитации. Но каким образом этой силе удается воздействовать на удаленные предметы, когда между ними ничего нет, было непонятно. Сам Ньютон, как мы видели, подозревал, что в этой идее силы, действующей между далекими телами без соприкосновения, чего-то не хватает и что для притяжения Луны Землей между ними должно быть нечто, передающее эту силу. Два столетия спустя Фарадей нашел решение, правда, не для силы гравитации, а для электрических и магнитных сил – поле. Электрические и магнитные силы «переносятся» электрическими и магнитными полями.

На этой стадии любому рациональному человеку было очевидно, что сила гравитации тоже должна иметь свои фарадеевы линии. Также по аналогии было очевидно, что сила притяжения между Солнцем и Землей или между Землей и падающим предметом должна быть приписана полю – в данном случае гравитационному полю. Ответ на вопрос о том, что переносит силу, найденный Фарадеем и Максвеллом, очевидно, должен применяться не только к электричеству, но также и к гравитации. Должно существовать гравитационное поле, а уравнения, аналогичные максвелловским, должны описывать, как движутся фарадеевы гравитационные линии. В первые годы XX века все это было ясно любому достаточно последовательному человеку; иначе говоря, это было ясно только Альберту Эйнштейну.

Эйнштейн, которого с юности восхищало электромагнитное поле, толкавшее роторы на электростанциях его отца, начал задумываться о гравитационном поле и искать уравнения, которые могли бы его описать. Он полностью погрузился в эту проблему. На то, чтобы решить ее, ушло десять лет. Десять лет упорных исследований, попыток, ошибок, недоразумений, блестящих идей, неверных допущений, статей с некорректными уравнениями, новых ошибок, стресса. Наконец, в 1915 году он отправил в печать статью, содержащую исчерпывающее решение, которое он назвал общей теорией относительности, – свой шедевр. Лев Ландау, самый блестящий физик-теоретик Советского Союза, называл ее «самой красивой из всех существующих физических теорий».

Нетрудно понять, почему эта теория столь красива. Вместо простого изобретения математической формы для гравитационного поля и поиска искусственных уравнений для него Эйнштейн обращается к другому нерешенному вопросу, лежащему в самой глубине ньютоновской теории, и объединяет две проблемы.

Ньютон вернулся к демокритовской идее, согласно которой тела движутся в пространстве. Это пространство должно быть большим пустым вместилищем, «жесткой коробкой» для Вселенной, колоссальной сценой, на которой объекты движутся по прямым линиям, пока силы не вынудят их отклониться. Но из чего состоит само это пространство, которое содержит мир? Что есть пространство?

Идея пространства кажется нам естественной, но исключительно благодаря знакомству с ньютоновской физикой. Если задуматься, то пустое пространство не является частью нашего опыта. От Аристотеля до Декарта, то есть на протяжении двух тысячелетий, демокритовская идея пространства как особой сущности, отличной от вещей, вовсе не казалась разумной. И для Аристотеля, и для Декарта вещи имеют протяженность: протяженность – это свойство вещей, но протяженность не существует без чего-то протяженного. Я могу вылить воду из стакана, но тогда его заполнит воздух. Доводилось ли вам видеть по-настоящему пустой стакан?

Если между двумя вещами находится ничто, значит, заключает Аристотель, там нет ничего. Каким образом там может быть одновременно и нечто (пространство), и ничто? Что есть пустое пространство, внутри которого движутся частицы? Это нечто или ничто? Если это ничто, то оно не существует, и мы можем без него обойтись. Если это нечто, то может ли быть так, что его единственное свойство – ничего не делать?

С античных времен идея пустого пространства, находящегося на полпути между вещью и невещью, беспокоила философов. Сам Демокрит, сделавший пустое пространство основой своего мира, где движутся атомы, тоже, конечно, был далек от полной ясности по этому вопросу. Он писал, что пустое пространство – это нечто «между бытием и небытием»: «Демокрит… считал первоначалами полное и пустое, называя одно “существующим”, а другое “несуществующим”», – пишет Симпликий[52]. Атомы – это существующее. Пространство – «несуществующее», которое, тем не менее, существует. Трудно высказаться более неопределенно.

Ньютон, реанимировавший демокритовскую идею пространства, пытался исправить положение, утверждая, что пространство – это сенсориум Бога. Никто никогда не понимал, что подразумевал Ньютон под «сенсориумом Бога», – возможно, и сам Ньютон тоже. И конечно, Эйнштейн, считавший идею Бога (с сенсориумом или без него) полезной лишь в качестве шутливого риторического приема, находил ньютоновское объяснение природы пространства крайне неубедительным.

Ньютон прикладывал значительные усилия к тому, чтобы преодолеть сопротивление ученых и философов реанимируемой им демокритовской концепции пространства, но поначалу никто не хотел воспринимать его всерьез. Лишь поразительная эффективность его уравнений, с помощью которых, как оказалось, всегда можно делать корректные предсказания, положила конец глухому недовольству. Тем не менее сомнения в правдоподобности ньютоновского представления о пространстве остались, и Эйнштейн, который читал труды философов, хорошо об этом знал. Концептуальные трудности ньютоновской идеи пространства подчеркивал Эрнст Мах, философ, влияние которого Эйнштейн открыто признавал, – тот самый Мах, который не верил в существование атомов. (Между прочим, это хороший пример того, как один и тот же человек может проявлять близорукость в одном отношении и прозорливость в другом.)

Таким образом, Эйнштейн взялся не за одну, а сразу за две проблемы. Первая: как описывать гравитационное поле? Вторая: что такое ньютоновское пространство?

И тут Эйнштейну пришла в голову гениальная идея – это был один из величайших взлетов мысли в истории: а что, если гравитационное поле в действительности и есть загадочное ньютоновское пространство? Что, если ньютоновское пространство не что иное, как гравитационное поле? Эта чрезвычайно простая, красивая, блестящая идея и составляет суть общей теории относительности.

Состав мира – это не пространство + частицы + электромагнитное поле + гравитационное поле. Состав мира – это просто частицы + поля и ничего больше; нет необходимости добавлять пространство в качестве отдельного ингредиента. Ньютоновское пространство – это гравитационное поле. Или наоборот (что не меняет смысла): гравитационное поле – это пространство (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Из чего состоит мир?