Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Но в отличие от ньютоновского пространства, плоского и неподвижного, гравитационное поле, в силу того что оно является полем, есть нечто движущееся и колеблющееся в соответствии со своими уравнениями подобно максвелловскому полю и фарадеевым линиям.

Картина мира радикально упрощается. Пространство больше не отличается от материи. Это одна из материальных составляющих мира подобно электромагнитному полю. Это реальная сущность, которая колеблется, флуктуирует, гнется и мнется.

Рис. 3.6. Земля обращается вокруг Солнца, потому что пространство-время вокруг Солнца искривлено, она подобна горошине, которая кружится в воронке

Мы больше не привязаны к невидимым жестким подмосткам – мы погружены в тело гигантского гибкого моллюска (метафора Эйнштейна). Солнце искривляет пространство вокруг себя, а Земля не обращается вокруг него под влиянием таинственной действующей на расстоянии силы, а движется прямо по покатому пространству. Она подобна горошине, которая кружится в воронке: нет никакой загадочный силы, создаваемой центром воронки, просто кривизна стенок заставляет горошину двигаться по окружности. Планеты обращаются вокруг Солнца, а вещи падают, поскольку пространство вокруг них искривлено (рис. 3.6).

Если быть немного точнее, то искривляется не пространство, а пространство-время – то самое пространство-время, которое, как десятью годами ранее показал сам Эйнштейн, представляет собой единую структуру, а не последовательность мгновений.

Такова идея. Единственной задачей Эйнштейна было найти уравнения, которые придадут ей прочность. Как описать это искривляющееся пространство-время? И здесь Эйнштейну повезло: проблема уже была решена математиками.

Величайший математик XIX столетия Карл Фридрих Гаусс, которого называли королем математиков, разработал метод математического описания искривленных поверхностей – холмистых ландшафтов вроде тех, что изображены на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Искривленная (двумерная) поверхность

Затем он попросил одного своего талантливого студента обобщить этот подход на искривленные пространства в трех и более измерениях. Этот студент, Бернхард Риман, подготовил обширную диссертацию, которая казалась совершенно бесполезной.

Полученный Риманом результат заключался в том, что свойства искривленного пространства (или пространства-времени) любой размерности описываются определенным математическим объектом, который мы сегодня называем римановской кривизной и обозначаем буквой R. Если представить себе равнинный, холмистый и горный ландшафты, то кривизна R поверхности равна нулю на равнинах, которые являются плоскими («без кривизны»), и отлична от нуля на холмах и в долинах; она достигает максимума на острых горных пиках, то есть там, где поверхность дальше всего от плоской, сильнее всего искривлена. С помощью римановской теории можно описывать форму кривых поверхностей в трех или четырех измерениях.

С огромным трудом, обращаясь за помощью к друзьям, лучше разбирающимся в математике, Эйнштейн освоил теорию Римана и записал уравнение, в котором кривизна R пропорциональна энергии материи. В словесной форме это уравнение можно выразить так: пространство-время сильнее искривляется там, где находится материя. И всё. Это уравнение аналогично уравнениям Максвелла, но применительно к гравитации, а не к электричеству. Оно занимает полстроки, и ничего больше не требуется. Образное представление об искривленном пространстве выражается в этом уравнении.

Внутри этого уравнения заключена целая текучая вселенная. В нем магическая сила теории раскрывается в фантасмагорическом ряду предсказаний, напоминающих бредовые видения сумасшедшего, которые, однако, оказываются истиной. Вплоть до самого начала 1980-х годов почти никто не принимал всерьез большую часть этих фантастических предсказаний. И все же, одно за другим, они подтверждались на опыте. Рассмотрим некоторые из них.

Для начала Эйнштейн вычисляет влияние массы, такой как Солнце, на кривизну окружающего пространства, а затем влияние этой кривизны на движение планет. Он находит, что движение планет соответствует предсказаниям уравнений Кеплера и Ньютона, но не совсем точно: вблизи Солнца влияние кривизны пространства сильнее, чем действие ньютоновской силы. Эйнштейн рассчитывает движение Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, для которой расхождение между его теорией и теорией Ньютона должно быть наибольшим, и находит различие: ближайшая к Солнцу точка орбиты Меркурия смещается каждый год на 0,43 секунды дуги больше, чем предсказывает теория Ньютона. Это очень маленькое различие, но астрономы могли его измерить, и результат сравнения предсказаний с астрономическими наблюдениями был однозначен: Меркурий движется по траектории, предсказанной Эйнштейном, а не Ньютоном. Меркурий, быстроногий посланец богов в крылатых сандалиях, следует за Эйнштейном, а не за Ньютоном.

Таким образом, уравнение Эйнштейна описывает, как искривляется пространство в непосредственной близости от звезды. Из-за этой кривизны свет отклоняется от своей траектории. Эйнштейн предсказывает, что Солнце вызывает искривление проходящего рядом с ним света. В 1919 году производится измерение; полученная величина отклонения света в точности соответствует предсказанию.

Однако искривляется не только пространство, но также и время. Эйнштейн предсказывает, что на Земле время течет быстрее на большей высоте и медленнее – на меньшей. Производится измерение, которое подтверждает этот факт. Сегодня во многих лабораториях есть чрезвычайно точные часы, и этот странный эффект может быть измерен даже для разницы высот всего в несколько сантиметров. Поместите одни часы на пол, а другие на стол, и те, что на полу, покажут, что прошло меньше времени, чем на столе. Почему? Потому что время не универсально и однозначно, оно способно растягиваться и сжиматься под влиянием близко расположенных масс. Земля, как и любая масса, искривляет пространство-время, замедляя течение времени в окружающем ее пространстве. Два близнеца, один из которых живет на уровне моря, а другой в горах, при встрече обнаружат, что один из них старше другого, хотя и совсем ненамного (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Двое близнецов провели жизнь в разных местах: один на уровне моря, а другой – в горах. Когда они встретились, тот, кто жил в горах, оказался старше. Так проявляется гравитационное растяжение времени

Этот эффект дает интересное объяснение падению предметов. Если нарисовать на карте мира маршрут, по которому самолет летит из Рима в Нью-Йорк, он не будет выглядеть прямым: самолет описывает дугу, отклоняясь к северу. Почему? Поскольку поверхность Земли искривлена, путь, отклоняющийся к северу, короче, чем проложенный вдоль параллели. Расстояние между меридианами тем меньше, чем севернее вы находитесь; поэтому для сокращения пути лучше отклониться к северу (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Чем севернее вы находитесь, тем меньше расстояние между двумя меридианами

Так вот, верите вы в это или нет, но брошенный вверх мяч падает вниз по той же самой причине: он «выигрывает время», двигаясь вверх, поскольку время течет там с другой скоростью. В обоих случаях аэроплан и мяч следуют по прямым траекториям в искривленном пространстве (или пространстве-времени) (рис. 3.10)[53].

Рис. 3.10. Чем выше находится предмет, тем быстрее течет для него время

Однако предсказания теории идут гораздо дальше этих незначительных эффектов. Звезды горят столько времени, на сколько хватает им запасов водорода – их топлива, затем они умирают. Оставшееся вещество больше не поддерживается тепловым давлением и коллапсирует под собственным весом. Когда это происходит с достаточно большой звездой, вес оказывается так велик, что материя сжимается до колоссальной плотности, а пространство искривляется настолько сильно, что в нем образуется настоящая дыра. Черная дыра.

Когда я был студентом университета, черные дыры рассматривались как маловероятные следствия экзотической теории. Сегодня они наблюдаются сотнями и подробно изучаются астрономами. Одна из таких черных дыр с массой в миллион раз больше Солнечной системы расположена в центре нашей Галактики. Мы наблюдаем звезды, обращающиеся вокруг нее.

Некоторые из них, проходя слишком близко, разрушаются ее страшной гравитацией.

Далее, теория предсказывает, что пространство покрыто рябью подобно поверхности моря и что волны этой ряби подобны электромагнитным волнам, которые сделали возможным телевидение. Эффекты, связанные с этими гравитационными волнами, можно наблюдать в небе на двойных звездах: они испускают такие волны, теряя энергию и медленно падая друг на друга[54]. Гравитационные волны, порожденные двумя падающими друг на друга черными дырами, непосредственно наблюдались с помощью антенны, установленной на земле в конце 2015 года. Об этом объявили в начале 2016 года, и мир вновь был ошеломлен. Еще раз безумное, казалось бы, предсказание теории Эйнштейна оказалось безупречно точным.

И это еще не всё: теория говорит, что Вселенная расширяется и возникла в космическом взрыве 14 миллиардов лет назад – об этом я вскоре расскажу подробнее.

Этот богатый и сложный набор явлений: отклонение лучей света, модификация ньютоновской силы, замедление часов, черные дыры, гравитационные волны, расширение Вселенной, Большой взрыв – вытекает из понимания того, что пространство – это не скучное неподвижное вместилище; оно обладает собственной динамикой и собственной физикой подобно материи и другим полям, которые в нем содержатся. Сам Демокрит непременно обрадовался бы, узнай он, что его идею пространства ждет такое впечатляющее будущее. Да, он называл его несуществующим, но то, что он считал существующим (δέν), было материей; и он писал, что это его «несуществующее», пустота, тем не менее «имеет некоторую природу (ϕύσιν) и самостоятельное бытие»[55]. Насколько же он был прав!

Без понятия поля, введенного Фарадеем, без впечатляющей силы математики, без геометрии Гаусса и Римана эта «некоторая собственная физика» так и оставалась бы непроясненной. Вооружившись новыми концептуальными средствами и математикой, Эйнштейн записал уравнения, которые описывают демокритовскую пустоту, и обнаружил, что ее «некоторая собственная физика» – это красочный и удивительный мир, где вселенные взрываются, пространство коллапсирует в бездонные дыры, время замедляется вблизи планет, а неограниченно расширяющееся межзвездное пространство волнуется и колышется, как поверхность моря…

Всё это звучит как история, рассказанная безумцем, как пустые слова, которые ничего не значат. И всё же это – взгляд на реальность. Или лучше сказать, проблеск реальности, чуть менее смазанный, чем наш мутный и банальный повседневный ее образ. Реальность, которая кажется сделанной из той же ткани, что наши сны[56], но которая, тем не менее, более реальна, чем наши туманные фантазии.

И всё это – результат одной элементарной догадки о том, что пространство-время и гравитационное поле есть одно и то же, и одного простого уравнения, которое я обязан здесь воспроизвести, хотя большинство моих читателей, конечно, не сможет его расшифровать. Тем не менее я делаю это в надежде на то, что читатели смогут уловить отблеск его великолепной простоты:

R_ab – 1/2g_ab + Λg_ab = 8πGT_ab.

В 1915 году изображение было еще проще, поскольку не было члена +Λg_ab, который Эйнштейн добавил двумя годами позже (и который я объясняю далее)[57]. R_ab зависит от римановской кривизны и вместе с 1/2g_ab представляет кривизну пространства-времени; T_ab означает энергию материи; G – та же константа, что и у Ньютона: постоянная, определяющая силу гравитационного взаимодействия.

Вот и всё. Идея и уравнение.

Математика или физика?

Прежде чем продолжить говорить о физике, я хотел бы сделать несколько замечаний о математике. Эйнштейн не был великим математиком. Он сам признавал, что испытывает трудности с математикой. В 1943 году он так ответил на вопрос девятилетней девочки по имени Барбара, которая написала ему о своих трудностях с этим предметом: «Не беспокойся о трудностях, возникающих с математикой, я могу тебя заверить, что мои собственные проблемы [с ней] еще серьезнее!»[58] Это кажется шуткой, но Эйнштейн не шутил. С математикой ему требовалась помощь и разъяснения терпеливых однокурсников и друзей, таких как Марсель Гроссман. Феноменальной была именно его интуиция как физика.

В тот год, когда Эйнштейн завершал создание своей теории, он обнаружил, что соперничает с Давидом Гильбертом, одним из величайших математиков всех времен. По приглашению Гильберта Эйнштейн прочел лекцию в Гёттингене. Гильберт мгновенно понял, что Эйнштейн находится на пороге большого открытия, ухватил основную идею и попытался обойти Эйнштейна, чтобы первым записать правильные уравнения новой теории, над которой Эйнштейн работал достаточно медленно. Финишный рывок двух гигантов мысли был захватывающим состязанием, и на завершающей стадии счет шел буквально на дни. Эйнштейн в этот период выступал с публичными лекциями в Берлине почти каждую неделю и каждый раз представлял новое уравнение, волнуясь, как бы Гильберт не получил решение раньше. Но каждый раз уравнение оказывалось неверным. Пока, наконец, Эйнштейн не нашел правильное уравнение, лишь чисто символически опередив Гильберта. Но все же именно он выиграл эту гонку.

Гильберт как джентльмен никогда не ставил под вопрос победу Эйнштейна, хотя сам работал тогда над очень похожими уравнениями. Ему принадлежит мягкое и красивое высказывание, которое очень точно характеризует сложные отношение Эйнштейна с математикой и, возможно, сложные отношения между физикой и математикой в целом. Необходимым для построения теории относительности разделом математики была геометрия четырехмерного пространства, и Гильберт писал:

Любой подросток на улицах Гёттингена[59] понимает геометрию четырехмерного пространства лучше Эйнштейна. Но именно Эйнштейн смог решить задачу.

Почему? Потому что Эйнштейн обладал уникальной способностью представлять себе, как устроен мир, «видеть» его мысленным взором. Уравнения приходили к нему позже; они были языком, с помощью которого он переносил свои образы в реальность. Для Эйнштейна общая теория относительности не набор уравнений, это мысленный образ мира, с большим трудом переведенный на язык уравнений.

Главная идея теории состоит в том, что пространство-время искривляется. Если бы пространство-время имело только два измерения и мы жили бы на некоем подобии плоскости, то было бы нетрудно представить себе, что означают слова «физическое пространство искривляется». Это означало бы, что физическое пространство, в котором мы живем, не такое, как плоский стол, а напоминает поверхность с горами и долинами. Но мир, в котором мы обитаем, имеет не два измерения, а три. На самом деле даже четыре, если учитывать время. Представить себе искривленное пространство в четырех измерениях намного труднее, поскольку наше обыденное восприятие не создает у нас интуитивного ощущения объемлющего пространства, внутри которого искривляется пространство-время. Однако воображение Эйнштейна не испытывало трудности с интуитивным восприятием космического моллюска, в тело которого все мы погружены и который может сжиматься, растягиваться и перекручиваться, порождая пространство вокруг нас. Именно благодаря ясности этого образа Эйнштейн смог первым сформулировать свою теорию.

В самом конце между Гильбертом и Эйнштейном возникло некоторое напряжение. За несколько дней до того, как Эйнштейн опубликовал свое правильное уравнение, Гильберт отправил в журнал статью, в которой показывал, как близко он подошел к тому же решению. По сей день историки науки испытывают сомнения, оценивая соотношение вкладов этих двух гигантов. В какой-то момент их отношения охладились, Эйнштейн боялся, что Гильберт, который был старше и опытнее, станет приписывать себе основные заслуги в создании теории. Однако Гильберт никогда не говорил, что первым открыл общую теорию относительности, и в научном мире, где часто (даже слишком часто) возникают губительные споры о приоритете, эти двое дают поистине замечательный пример мудрости, очищающей научное поле от ненужного напряжения.

Эйнштейн пишет Гильберту замечательное письмо, в котором выражает глубокие чувства по поводу совместно пройденного пути:

Между нами было известное расстройство отношений, причины которого я не хочу анализировать. Я боролся с чувством горечи, вызванным этим, и притом с полным успехом. Я снова думаю о Вас с безмятежной приветливостью и прошу Вас думать обо мне так же. Действительно жаль, когда два настоящих парня, которые как-то вырвались из этого жалкого мира, не доставляют друг другу радости[60].

Космос

Спустя два года после публикации своих уравнений Эйнштейн решает использовать их для описания пространства всей Вселенной, рассматриваемой в крупном масштабе. И здесь появляется еще одна из его замечательных идей.

Тысячи лет человек задавался вопросом: бесконечна Вселенная или у нее есть предел? Обе гипотезы влекут за собой серьезные проблемы. Бесконечность Вселенной, похоже, не выдерживает следующего рассуждения: если она бесконечна, значит, где-то должен существовать, например, читатель, абсолютно такой же, как вы, который читает эту же самую книгу (бесконечность поистине огромна, и не существует такого числа комбинаций атомов, чтобы заполнить ее объектами, всегда отличающимися друг от друга). Фактически должен существовать не один такой читатель, а бесконечное множество… Но если у Вселенной есть предел, то что же представляет собой ее граница? Как можно придать смысл границе, по другую сторону которой ничего нет? Еще в VI веке философ-пифагореец Архит Тарентский писал:

Окажись я на самом дальнем небе, на сфере неподвижных звезд, смог бы я протянуть за нее руку или палку? Нелепо думать, будто это должно быть невозможно; но если я могу это сделать, то существует нечто вовне, будь то материя или пространство. И так можно продолжать все дальше и дальше, постоянно задаваясь вопросом: всегда ли будет нечто, куда можно протянуть палку[61].

Кажется, что эти две абсурдные альтернативы – абсурд бесконечного пространства и абсурд Вселенной с фиксированной границей – не оставляет места для разумного выбора между ними.

Однако Эйнштейн находит третий путь: Вселенная может быть конечной и в то же время не иметь границы. Каким образом? Точно так же, как поверхность Земли не бесконечна, но не имеет границы, где бы она «кончалась». Подобное естественным образом происходит с искривленными вещами: поверхность Земли искривлена. И в общей теории относительности трехмерное пространство, конечно, может быть искривленным. Следовательно, наша Вселенная может быть конечной, но безграничной.

Если я буду все время идти по прямой линии на поверхности Земли, я не буду бесконечно удаляться, а в конце концов вернусь в ту точку, откуда вышел. Наша Вселенная может быть устроена подобным же образом: если я сяду на звездолет и буду все время лететь в одном направлении, я облечу Вселенную и в конце концов вернусь обратно на Землю. Трехмерное пространство такого типа – конечное, но безграничное – называется 3-сферой.

Для понимания геометрии 3-сферы обратимся к обычной сфере – поверхности мяча или Земли. Для изображения поверхности Земли на плоскости можно нарисовать два круга, как это обычно делают в случае карты мира (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Сферу можно изобразить в виде двух кругов, которые в действительности гладко соединяются друг с другом вдоль своих краев

Обратите внимание, что житель Южного полушария в некотором смысле окружен Северным полушарием, поскольку, в каком бы направлении ни покинул он свое полушарие, в результате он всегда попадет в другое. Но верно и обратное: каждое из полушарий окружает другое и окружено другим. Аналогичным образом можно представить себе и 3-сферу, но она рассматривается и в дополнительном измерении: два шара соединены друг с другом по всем своим границам (рис. 3.12).

Рис. 3.12. 3-сферу можно представить в виде двух шаров, соединенных друг с другом

Покидая один шар, мы вступаем в другой, точно так же как, покидая один круг карты мира, мы попадаем в другой. Каждый из шаров окружает другой и окружен им. Идея Эйнштейна состоит в том, что пространство может быть 3-сферой – иметь конечный объем (равный сумме объемов двух шаров), но не иметь границ[62]. В своей работе 1917 года Эйнштейн предложил 3-сферу в качестве решения проблемы границы Вселенной. С этой статьи начинается современная космология, изучение всей видимой Вселенной, рассматриваемой в самом крупном масштабе. Она порождает открытие расширения Вселенной, теорию Большого взрыва, проблему рождения Вселенной и еще много чего другого. Я подробнее расскажу обо всем этом в главе 8.

Есть еще одно замечание, которое я бы хотел сделать относительно эйнштейновской 3-сферы. Может показаться невероятным, но эта идея уже была предложена другим гением из совершенно иной культурной вселенной – великим итальянским поэтом Данте Алигьери. В «Рае», третьей части своей главной поэмы «Божественная комедия», Данте рисует величественный образ средневекового мира, уподобленный миру Аристотеля, со сферической Землей в центре, окруженной небесными сферами (рис. 3.13).

В сопровождении своей сияющей возлюбленной Беатриче, Данте в ходе фантастического мысленного путешествия поднимается по этим сферам до самой внешней сферы. Достигнув ее, он созерцает под собой мир с его вращающимися небесами и Землей далеко внизу в самом центре. Но затем он смотрит вверх – и что же он видит? Он видит светящуюся точку, окруженную огромными сферами ангелов, иными словами – другую колоссальную сферу, которая, по его словам, «окружает и в то же время окружена» сферой нашей Вселенной! Здесь в строках XXVII песни «Рая» он пишет: “Questa altre parte dell’Universo d’un cerchio lui comprende si come questo li altri”[63], а затем в XXX песни повторяет о последней точке: “parendo inchiuso da quell ch’elli inchiude”[64]. Точка света и сфера ангелов окружают Вселенную, и в тоже время они окружены Вселенной! Это точное описание 3-сферы![65]

Рис. 3.13. Традиционное представление Вселенной Данте

Американский математик Марк Петерсон в 1979 году первым заметил, что «Рай» описывает Вселенную как 3-сферу. В целом исследователи творчества Данте не очень хорошо знакомы с 3-сферами. Однако любой современный физик или математик легко распознает 3-сферу в дантовском описании Вселенной.

Каким образом Данте могла прийти в голову идея, звучащая столь современно? Я думаю, это в первую очередь отражение глубочайшего интеллекта великого итальянского поэта. Именно его ум делает «Божественную комедию» такой восхитительной. Но также это связано с тем, что Данте писал задолго до того, как Ньютон убедил всех, что бесконечное пространство космоса имеет плоскую евклидову геометрию. Данте был свободен от ограничений, наложенных на нашу интуицию в результате ньютонианского обучения.

Научная культура Данте основывалась главным образом на поучениях его наставника Брунетто Латини, от которого до нас дошел небольшой очаровательный трактат «Li tresor», своего рода энциклопедия средневекового знания, написанная на дивной смеси старофранцузского и итальянского. В «Li tresor» Брунетто подробно объясняет, почему Земля является круглой.

Но он делает это странным для современного читателя способом – в категориях «внутренней», а не «внешней» геометрии. То есть он не пишет, что Земля похожа на апельсин, не говорит, как она выглядит, если смотреть на неё извне, а объясняет ее форму так: «Два рыцаря, которые достаточно далеко проскачут в противоположных направлениях, встретятся на противоположной стороне». И так: «Если бы не мешали моря, человек, начавший идти в одну сторону, вернулся бы в ту же точку Земли, откуда вышел». Иными словами, он использует внутреннюю, а не внешнюю точку зрения – с позиции того, кто идет по Земле, а не того, кто смотрит на нее со стороны. На первый взгляд, это может показаться бессмысленным, усложненным способом объяснения того, что Земля является шаром. Почему Брунетто просто не говорит, что Земля похожа на апельсин? Но с другой стороны, если мы скажем, что муравей ползет по апельсину, то в какой-то момент он окажется в перевернутом положении и должен будет удерживаться крошечными присосками на ногах, чтобы не упасть. Однако путешественник, идущий по Земле, никогда не оказывается в перевернутом положении и не нуждается в присосках на ногах. Так что описание Брунетто на самом деле не такое уж странное.

Теперь задумайтесь над этим. Некто узнал от своего учителя, что форма поверхности нашей планеты такова, что, двигаясь все время по прямой линии, мы возвращаемся в точку, откуда вышли. Вероятно, не так уж трудно сделать следующий очевидный вывод и осознать, что форма всей Вселенной такова, что, двигаясь все время по прямой линии, мы вернемся в ту же точку, из которой отправились: 3-сфера – это пространство, в котором «два крылатых рыцаря, способных лететь в противоположных направлениях, встретятся на противоположной стороне». Выражаясь более формально, описание геометрии Земли, предложенное Брунетто Латини в «Li tresor», дано в терминах внутренней геометрии (рассматриваемой изнутри), а не внешней (рассматриваемой снаружи), и это как раз такое описание, которое подходит для обобщения понятия сферы с двух измерений на три. Лучший способ описания 3-сферы – это не пытаться «увидеть ее снаружи», а описывать то, что происходит, когда вы движетесь внутри нее.

Метод, разработанный Гауссом для описания кривых поверхностей и обобщенный Риманом для описания искривления пространства в трех и более измерениях, в основе своей следует пути Брунетто Латини. Идея, можно сказать, состоит в том, чтобы описывать кривизну пространства не как «видимую со стороны», говоря, как оно искривляется во внешнем пространстве, а в тех понятиях, которые может воспринимать наблюдатель, находящийся внутри этого пространства и способный двигаться, всегда оставаясь в нем самом. Например, обычная сфера, как заметил Брунетто, – это такая поверхность, где все «прямые» линии возвращаются к исходной точке, пройдя одно и то же расстояние (длину экватора). 3-сфера – это трехмерное пространство, обладающее таким же свойством.

Эйнштейновское пространство-время искривлено не в том смысле, что оно изогнуто «во внешнем пространстве». Оно искривлено в том смысле, что его внутренняя геометрия, то есть сеть расстояний между его точками, которые можно измерять, оставаясь внутри него, не соответствует геометрии плоского пространства. Это пространство, где неверна теорема Пифагора точно так же, как она неверна на поверхности Земли[66].

Существует важный для понимания дальнейшего изложения способ убедиться в кривизне пространства изнутри него, не пытаясь взглянуть на него извне. Представьте себе, что вы находитесь на Северном полюсе и идете на юг, пока не достигнете экватора. При этом вы несете с собой стрелку, которая показывает вперед. Дойдя до экватора, вы поворачиваете налево, не меняя направление стрелки. Она по-прежнему показывает на юг, который теперь находится для вас справа. Пройдите немного на восток вдоль экватора, а затем поверните обратно на север, опять не меняя направление стрелки, которая теперь будет показывать назад. Когда вы вернетесь на Северный полюс, ваш маршрут замкнется, образовав петлю, но стрелка уже не будет показывать в том же направлении, что и при старте (рис. 3.14). Угол, на который повернулась стрелка при обходе петли, служит мерой кривизны.

Я еще вернусь к данному методу измерения кривизны с помощью петель в пространстве. Это будут петли, которые дали название теории петлевой квантовой гравитации.

Данте покидает Флоренцию в 1301 году, когда завершается изготовление мозаики купола Флорентийского баптистерия. Мозаика, изображавшая ад (работы Коппо ди Марковальдо, учителя Чимабуэ), вероятно, устрашавшая средневековых людей, часто упоминается как источник вдохновения Данте (рис. 3.15).

Я посетил баптистерий вскоре после начала работы над этой книгой в компании Эммануэлы Минней, которая убедила меня ее написать. Войдя в баптистерий и посмотрев вверх, я увидел сияющую точку света (свет исходит от фонаря на вершине купола), окруженную девятью ангельскими чинами с названиями, подписанными в следующем порядке: ангелы, архангелы, начала, власти, силы, господства, престолы, херувимы, серафимы. Это в точности соответствует структуре второй сферы рая. Вообразите себя муравьем на полу баптистерия, способным ползти в любую сторону; независимо от того, в каком направлении карабкаться по стене, вы достигнете потолка в одной и той же точке света, окруженной ангелами: точка света и ее ангелы одновременно окружают и окружены всем остальным убранством баптистерия (рис. 3.16).

Рис. 3.14. Стрелка, сохраняющая параллельность самой себе при переносе вдоль замкнутого маршрута (петли), в искривленном пространстве возвращается к точке отправления повернутой

Рис. 3.15. Мозаика, изображающая ад, работы Коппо ди Марковальдо во Флорентийском баптистерии