Помоги проекту - поделись книгой:
Стивен Хокинг
"МИР В ОРЕХОВОЙ СКОРЛУПКЕ"
Живо и интригующе. Хокинг от природы наделен даром учить и разъяснять, с юмором иллюстрировать крайне сложные понятия аналогиями из повседневной жизни.
Эта книга обручает детские чудеса с гениальным интеллектом. Мы путешествуем по вселенной Хокинга, перенесенные гуда силой его разума.
Живо и остроумно… Позволяет широкому читателю почерпнуть глубокие научные истины из первоисточника.
Стивен Хокинг — мастер ясности… Трудно представить, чтобы кто-то другой из ныне живущих доходчивее изложил устрашающие профана математические выкладки.
Наверное, лучшая научно-популярная книга Мастерское обобщение того, что современные физики по астрофизике. Спасибо, доктор Хокинг! думают о Вселенной и том, как она стала такой.
В 1988 году книга Стивена Хокинга «Краткая история времени», побившая рекорды продаж, познакомила читателей во всем мире с идеями этого замечательного физика-теоретика. И вот новое важное событие: Хокинг возвращается! Великолепно иллюстрированное продолжение — «Мир в ореховой скорлупке» — раскрывает суть научных открытий, которые были сделаны после выхода в свет его первой, широко признанной книги.
Один из самых блестящих ученых нашего времени, известный не только смелостью идей, но также ясностью и остроумием их выражения, Хокинг увлекает нас к переднему краю исследований, где правда кажется причудливее вымысла, чтобы объяснить простыми словами принципы, которые управляют Вселенной. Как и многие физики-теоретики, Хокинг жаждет отыскать Священный Грааль науки — Теорию Всего, которая лежит в основании космоса. Он позволяет нам прикоснуться к тайнам мироздания: от супергравитации до суперсимметрии, от квантовой теории до М-теории, от голографии до дуальностей. Вместе с ним мы пускаемся в увлекательные приключения, когда он рассказывает о попытках создать на основе общей теории относительности Эйнштейна и выдвинутой Ричардом Фейнманом идеи о множественности историй Полную объединенную теорию, которая опишет все, что происходит во Вселенной.
Мы сопутствуем ему в необыкновенном путешествии через пространство-время, а великолепные цветные иллюстрации служат нам вехами в этом странствии по сюрреалистической Стране чудес, где частицы, мембраны и струны движутся в одиннадцати измерениях, где черные дыры испаряются, унося с собой свои секреты, и где космическое семя, из которого выросла наша Вселенная, было крохотным орешком.
Стивен Хокинг занимает кресло Лукасовского профессора математики в Кембриджском университете, наследуя на этом посту Исааку Ньютону и Полу Дираку. Он считается одним из самых выдающихся физиков-теоретиков со времен Эйнштейна.
Предисловие
Я не ожидал, что моя научно-популярная книга «Краткая история времени» окажется настолько успешной. В списке бестселлеров лондонской «Санди тайме» она продержалась более четырех лет — дольше любой другой книги, что особенно удивительно для издания о науке, ведь они обычно расходятся не очень быстро. Потом люди стали спрашивать, когда ожидать продолжения. Я противился, мне не хотелось писать что-то вроде «Продолжения краткой истории» или «Немного более длинной истории времени». А еще я был занят исследованиями. Но постепенно стало ясно, что можно написать другую книгу, которая имеет шанс оказаться проще для понимания. «Краткая история времени» была построена по линейной схеме: в большинстве случаев каждая следующая глава логически связана с предшествующими. Одним читателям это нравилось, но другие, застряв на первых главах, так и не добирались до более интересных тем. Настоящая книга построена иначе — она скорее похожа на дерево: главы 1 и 2 образуют ствол, от которого отходят ветви остальных глав.
Эти «ответвления» в значительной степени независимы друг от друга, и, получив представление о «стволе», читатель может знакомиться с ними в произвольном порядке. Они связаны с областями, в которых я работал или о которых размышлял после публикации «Краткой истории времени». То есть отображают наиболее активно развивающиеся направления современных исследований. Внутри каждой главы я также попытался уйти от линейной структуры. Иллюстрации и подписи к ним указывают читателю альтернативный маршрут, как в «Иллюстрированной краткой истории времени», изданной в 1996 г. Врезки и замечания на полях позволяют затронуть некоторые темы глубже, чем это возможно в основном тексте.
В 1988 г., когда впервые вышла «Краткая история времени», впечатление было такое, что окончательная Теория Всего едва-едва замаячила на горизонте. Насколько с тех пор изменилась ситуация? Приблизились ли мы к нашей цели? Как вы узнаете из этой книги, прогресс был весьма значительным. Но путешествие еще продолжается, и конца ему пока не видно. Как говорится, лучше продолжать путь с надеждой, чем прибыть к цели".[1] Наши поиски и открытия питают творческую активность во всех сферах, не только в науке. Если мы достигнем конца пути, человеческий дух иссохнет и умрет. Но я не думаю, что мы когда-либо остановимся: будем двигаться если не в глубину, то в сторону усложнения, всегда оставаясь в центре расширяющегося горизонта возможностей.
Я хочу поделиться моим волнением от сделанных открытий и изобразить реальность такой, какой она предстает перед нами. Я сконцентрировался на тех вопросах, над которыми работал сам, в силу чувства причастности. Детали этой работы крайне специальны, но я уверен, что основные идеи можно передать и тому, кто не обладает большим математическим багажом. Надеюсь, что мне это удалось.
В работе над этой книгой у меня было много помощников. Особо я хотел бы отметить Томаса Хертога и Нила Ширера за их помощь с рисунками, подписями и врезками, Энн Харрис и Китти Фергюссон, которые редактировали рукопись (или, точнее, компьютерные файлы, поскольку все, что я пишу, появляется в электронной форме), Филиппа Данна из Book Laboratory и Moonrunner Design, который создал иллюстрации. Но кроме того, я хочу поблагодарить всех тех, кто дал мне возможность вести нормальную жизнь и заниматься научными исследованиями. Без них эта книга не была бы написана.
Глава 1. Краткая история относительности
О том, как Эйнштейн заложил основы двух фундаментальных теорий XX века: общей теории относительности и квантовой механики
Альберт Эйнштейн, создатель специальной и общей теорий относительности, родился в 1879 г. в немецком городе Ульме, позднее семья перебралась в Мюнхен, где у отца будущего ученого, Германа, и его дяди, Якоба, была небольшая и не слишком преуспевающая электротехническая фирма. Альберт не был вундеркиндом, но утверждения, будто он не успевал в школе, выглядят преувеличением. В 1894 г. бизнес его отца прогорел, и семья переехала в Милан. Родители решили оставить Альберта в Германии до окончания школы, но он не выносил немецкого авторитаризма и спустя несколько месяцев бросил школу, отправившись в Италию к своей семье. Позднее он завершил образование в Цюрихе, получив в 1900 г. диплом престижного Политехникума (ЕТН[2]). Склонность к спорам и нелюбовь к начальству помешали Эйнштейну наладить отношения с профессорами ЕТН, так что никто из них не предложил ему места ассистента, с которого обычно начиналась академическая карьера. Только через два года молодому человеку наконец удалось устроиться на должность младшего клерка в Швейцарском патентном бюро в Берне. Именно в тот период, в 1905 г., он написал три статьи, которые не только сделали Эйнштейна одним из ведущих ученых мира, но и положили начало двум научным революциям — революциям, которые изменили наши представления о времени, пространстве и самой реальности.
К концу XIX века ученые считали, что вплотную подошли к исчерпывающему описанию Вселенной. По их представлениям, пространство было заполнено непрерывной средой — «эфиром». Лучи света и радиосигналы рассматривались как волны эфира, подобно тому как звук представляет собой волны плотности воздуха. Все, что требовалось для завершения теории, — это тщательно измерить упругие свойства эфира. Имея в виду эту задачу, Джефферсоновскую лабораторию в Гарвардском университете построили без единого железного гвоздя, чтобы избежать возможных помех в тончайших магнитных измерениях. Однако проектировщики забыли, что красно-коричневый кирпич, который использовался при возведении лаборатории, да и большинства других зданий Гарварда, содержит значительное количество железа. Здание служит по сей день, но в Гарварде так и не знают, какой вес смогут выдержать перекрытия библиотеки, не содержащие железных гвоздей.
Если бы свет был волной в упругом веществе, называемом эфиром, его скорость казалась бы выше тому, кто движется на космическом корабле ему навстречу (а), и ниже — тому, кто движется в том же направлении, что и свет (б).
Не было обнаружено никаких различий между скоростью света в направлении движения Земли по орбите и скоростью света в перпендикулярном направлении.
К концу столетия концепция всепроникающего эфира начала сталкиваться с трудностями. Ожидалось, что свет должен распространяться по эфиру с фиксированной скоростью, но если вы сами движетесь сквозь эфир в том же направлении, что и свет, скорость света должна казаться меньше, а если вы движетесь в противоположном направлении, скорость света окажется больше (рис. 1.1).
Однако в ряде экспериментов эти представления не удалось подтвердить. Наиболее точный и корректный из них осуществили в 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли в Школе прикладных наук Кейза, Кливленд, штат Огайо. Они сравнили скорость света в двух лучах, идущих под прямым утлом друг к другу. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца, скорость и направление движения аппаратуры сквозь эфир меняется (рис. 1.2). Но Майкельсон и Морли не обнаружили ни суточных, ни годичных различий в скорости света в двух лучах. Получалось, будто свет всегда движется относительно вас с одной и той же скоростью, независимо от того, как быстро и в каком направлении движетесь вы сами (рис. 1.3).
В интерферометре Майкельсона — Морли свет источника расщеплялся на два луча полупрозрачным зеркалом. Лучи двигались перпендикулярно друг другу, а потом объединялись вновь, попадая на полупрозрачное зеркало. Разница в скорости лучей света, движущихся в двух направлениях, могла бы привести к тому, что гребни волн одного луча пришли бы одновременно с впадинами волн другого и взаимно погасили друг друга.
Основываясь на эксперименте Майкельсона — Морли, ирландский физик Джордж Фитцджералд и голландский физик Хендрик Лоренц предположили, что тела, движущиеся сквозь эфир, должны сжиматься, а часы — замедляться. Это сжатие и замедление таковы, что люди всегда будут получать при измерениях одинаковую скорость света независимо от того, как они движутся относительно эфира. (Фитцджералд и Лоренц по-прежнему считали эфир реальной субстанцией.) Однако в статье, написанной в июне 1905 г., Эйнштейн отметил, что если никто не может определить, движется он сквозь эфир или нет, то само понятие эфира становится лишним. Вместо этого он начал с постулата, что законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей. В частности, все они, измеряя скорость света, должны получать одну и ту же величину, с какой бы скоростью ни двигались сами. Скорость света независима от их движений и одинакова во всех направлениях.
Но это требует отбросить представление о том, что существует единая для всех величина, называемая временем, которую измеряют любые часы. Вместо этого у каждого должно быть свое собственное, персональное время. Время двух человек будет совпадать, только если они находятся в покое друг относительно друга, но не в том случае, если они движутся.
Это было подтверждено рядом экспериментов. В одном из них два очень точных хронометра отправили вокруг света в противоположных направлениях, и по возвращении их показания слегка различались (рис. 1.4). Отсюда можно сделать вывод, что, желая продлить свою жизнь, надо постоянно лететь на восток, чтобы скорость самолета добавлялась к скорости вращения Земли. Однако выигрыш составит лишь доли секунды и будет полностью сведен на нет качеством пищи, которой кормят пассажиров авиакомпании.
Одна из версий парадокса близнецов (см. рис. 1.5) была проверена экспериментально путем отправки двух высокоточных хронометров вокруг света в противоположных направлениях. При встрече показания часов, которые летели на восток, оказались немного меньше.
Согласно теории относительности каждый наблюдатель имеет свою меру времени. Это может приводить к так называемому парадоксу близнецов.
Один из близнецов(а) отправляется в космическое путешествие, в ходе которого движется с околосветовой скоростью (с), а его брат (Ь) остается на Земле.
Из-за движения в космическом корабле время для путешественника (а) идет медленнее, чем для его близнеца (Ь) на Земле. Поэтому, вернувшись, космический путешественник (a2) обнаружит, что его брат (Ь2) постарел больше, чем он сам.
Хотя это кажется противоречащим здравому смыслу, ряд экспериментов подтверждает, что в этом сценарии путешествующий близнец действительно будет моложе.
Космический корабль пролетает мимо Земли со скоростью, равной четырем пятым от скорости света. Импульс света испускается в одном конце кабины и отражается обратно в другом (а). За светом следят люди на Земле и на корабле. Из-за движения космического корабля они разойдутся в оценке пути, пройденного светом (б).
Они также должны разойтись в оценке времени, которое свет затратил на движение туда и обратно, поскольку согласно постулату Эйнштейна скорость света постоянна для всех свободно движущихся наблюдателей.
Постулат Эйнштейна о том, что законы природы должны быть одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей, стал основой теории относительности, получившей такое название потому что значение имеют только относительные движения. Ее красоту и простоту признают многие мыслители, но остается и немало тех, кто думает иначе. Эйнштейн отбросил два абсолюта науки XIX века: абсолютный покой, представленный эфиром, и абсолютное универсальное время, которое измеряют все часы. Многих людей тревожит эта концепция. Не подразумевается ли, спрашивают они, что все на свете относительно, так что нет больше абсолютных моральных стандартов? Это беспокойство ощущалось на протяжении всех 1920-х и 1930-х гт. Когда в 1921 г. Эйнштейну присуждали Нобелевскую премию, то ссылались на важную, но (по его масштабам) сравнительно небольшую работу, также выполненную в 1905 г. О теории относительности даже не упомянули, поскольку она считалась слишком спорной. (Я до сих пор два-три раза в неделю получаю письма, в которых мне сообщают, что Эйнштейн был неправ.) Несмотря на это, теория относительности сегодня полностью принята научным сообществом, а ее предсказания были проверены в бесчисленном количестве экспериментов Очень важным следствием теории относительности стала связь между массой и энергией. Из постулата Эйнштейна о том, что скорость света должна быть одинакова для всех, вытекает невозможность двигаться быстрее, чем свет. Если использовать энергию для ускорения некоего объекта, будь это элементарная частица или космический корабль, его масса станет возрастать, делая дальнейшее ускорение все более трудным. Разогнать частицу до скорости света будет невозможно, поскольку на это потребуется бесконечное количество энергии. Масса и энергия эквивалентны, что и выражает знаменитая формула Эйнштейна Е = mc2. Это, вероятно, единственная физическая формула, которую узнают на улицах (рис. 1.7).
Одним из ее следствий стало понимание того, что если ядро атома урана распадается на два ядра с немного меньшей суммарной массой, то при этом должно выделяться огромное количество энергии (рис. 1.8).
В 1939 г., когда стала очевидна перспектива новой мировой войны, группа ученых, которые понимали ее последствия, убедили Эйнштейна преодолеть пацифистские сомнения и поддержать своим авторитетом обращение к президенту Рузвельту с призывом к Соединенным Штатам начать программу ядерных исследований. Пророческое письмо, отправленное эйнштейном президенту Рузвельту в 1939 г.
«В течение последних четырех месяцев благодаря работам Жолио во Франции, а также Ферми и Сциларда в Америке, вероятно, появилась возможность запуска ядерной цепной реакции в крупной массе урана, вследствие чего может быть высвобождена огромная энергия и получено большое количество элементов, подобных радию. Можно считать почти достоверным, что это удастся реализовать в ближайшем будущем.
Это новое явление способно также привести к созданию бомб и, что возможно, хотя уверенность в этом меньше, исключительно мощных бомб нового типа».
Ядра состоят из протонов и нейтронов, которые удерживаются вместе сильным взаимодействием. Но масса ядра всегда меньше суммарной массы протонов и нейтронов, из которых оно состоит. Разница служит мерой ядерной энергии связи, которая удерживает частицы в ядре. Энергию связи можно вычислить по формуле Эйнштейна Аmc2, где Am — разница между массой ядра и суммой масс входящих в него частиц; с — скорость света.
Именно выделение этой потенциальной энергии порождает разрушительную мощь ядерных устройств.
Хотя теория относительности полностью соответствует законам, которые управляют электричеством и магнетизмом, она несовместима с ньютоновским законом тяготения. Этот последний говорит, что если изменить распределение вещества в одном месте пространства, то изменения гравитационного поля мгновенно проявятся повсюду во Вселенной. Это не только означает возможность передавать сигналы со сверхсветовой скоростью (что запрещено теорией относительности), но — для придания смысла понятию «мгновенно» — требует также существования абсолютного или универсального времени, от которого теория относительности отказалась в пользу индивидуального времени.
Эйнштейн знал об этой трудности с 1907 г., когда еще работал в бернском патентном бюро, но только в 1911 г. в Праге начал серьезно думать над проблемой. Он понял, что есть тесная связь между ускорением и гравитационным полем. Находясь в небольшом замкнутом помещении, например в лифте, нельзя сказать, покоится ли оно в земном гравитационном поле или ускоряется ракетой в открытом космосе. (Конечно, это было задолго до появления сериала «Звездный путь»,[3] и Эйнштейн скорее представлял себе людей в лифте, чем в космическом корабле.) Но в лифте нельзя долго ускоряться или свободно падать: все быстро закончится катастрофой (рис. 1.9).
Поделиться книгой: