Kitobni o'qish: «Петля нереальности. Путешествие в сердце квантовой гравитации»

© 2014, Raff aello Cortina Editore

© Малышева А.А., перевод на русский язык, 2026

© Оформление. ООО «Издательство „Эксмо“», 2026

Научная редактура Ольги Сажиной, доктора физ.-мат. наук, ведущего научного сотрудника Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга

Предисловие
Прогулки у моря

Мы одержимы собой, Мы изучаем собственные историю, психологию, философию, литературу, собственных богов, Многое из познанного – это постоянное хождение человека по кругу вокруг самого себя, словно мы – самое важное во Вселенной. Наверное, потому я так люблю физику: за то, что она распахивает окно в мир, наполняя комнату свежим ветром и открывая взору вид, от которого не устаёшь изумляться.

О Вселенной мы узнали невероятно много, осознали на протяжении веков множество своих ошибок. Когда-то мы верили, что Земля плоская, что она неподвижно покоится в центре мироздания, а сама Вселенная мала и всегда остаётся неизменной. Люди полагали, что они – особая порода, не родственная другим биологическим видам. Со временем, однако, мы открыли кварки, чёрные дыры, частицы света, волны пространства и причудливые молекулярные конструкции в каждой клетке нашего тела. Человечество подобно ребёнку, который растёт и с изумлением обнаруживает, что мир – это не только его комнатка и детская площадка, но нечто огромное, где есть тысячи неизведанных вещей и идей, непохожих на те, среди которых он вырос. Вселенная многообразна и безгранична, и мы продолжаем открывать всё новые её грани. Чем больше мы познаём мир, тем больше поражаемся его разнообразию, красоте и простоте.

И в то же время, чем больше мы открываем, тем яснее осознаём: неизвестного больше, чем уже понятого. Чем мощнее телескопы, тем более странные и неожиданные небеса мы видим. Чем глубже мы вглядываемся в мельчайшие детали материи, тем более фундаментальные структуры обнаруживаем. Сегодня мы можем восстановить картину мира почти до самого Большого взрыва – грандиозного явления, породившего 14 миллиардов лет назад все галактики на небе; но уже начинаем различать, что есть нечто и за его пределами. Мы узнали, что пространство искривляется, и уже мало-помалу понимаем, что само это пространство соткано из вибрирующих квантовых зёрен.

Наши знания об элементарной грамматике мира неуклонно растут. Если попытаться собрать воедино всё, что мы узнали о физическом мире в XX веке, все указания ведут к чему-то глубоко отличному от представлений о материи и энергии, о пространстве и времени, которым нас учили в школе. Проступает элементарная структура мира, в которой не существует ни времени, ни пространства, рождённая множеством квантовых событий. Квантовые поля формируют пространство, время, материю и свет, обеспечивая обмен данными между событиями. Реальность – это сеть гранулированных явлений; динамика, связывающая их, вероятностна; пространство, время, материя и энергия между ними растворяются в облаке этих вероятностей.

Этот новый и странный мир медленно проступает сегодня из изучения главной нерешённой задачи фундаментальной физики – квантовой гравитации. Задача эта состоит в координации того, что мы поняли о мире благодаря двум великим открытиям физики XX века – общей теории относительности и квантовой теории. Именно квантовой гравитации и тому удивительному миру который она открывает перед нами, и посвящена эта книга.

Это живой рассказ о научном поиске: о текущих открытиях, устоявшемся знании и зарождающихся прозрениях относительно фундаментальной сути мироздания. Она берёт начало у истоков ключевых идей, помогающих сегодня сформировать стройную картину мира. В ней раскрываются два величайших прорыва XX века – общая теория относительности Эйнштейна и квантовая механика, при этом акцент сделан на самой сути их физического содержания.

В книге раскрывается образ Вселенной, который складывается при изучении квантовой гравитации, учитывая самые современные «подсказки» Природы, например, подтверждение Стандартной космологической модели космической обсерваторией «Планк» (2013) и отсутствие следов суперсимметричных частиц в ЦЕРНе (2013), ожидавшихся многими учёными. В ней также рассматриваются следствия этих идей: дискретная структура пространства, растворение времени в микромире, физика Большого взрыва, термодинамическая природа чёрных дыр и наметившееся понимание того, какую роль в основах физики играет информация.

Вспомним знаменитый платоновский миф из Седьмой книги «Государства»: люди, прикованные цепями в глубине тёмной пещеры, видят лишь тени на стене, отбрасываемые огнём за их спинами. Они принимают эти тени за подлинную действительность. Но вот один из этих людей вырывается на свободу, покидает пещеру и впервые видит солнечный свет и безграничный мир. Сначала его ослепляет непривычная яркость, он теряется. Однако постепенно зрение привыкает, и, вернувшись к узникам, человек в восторге делится своим открытием. Но товарищам, познавшим лишь мир теней, нелегко поверить его словам.

Так и все мы находимся в глубине пещеры, скованные цепями собственного невежества и предрассудков, а наши слабые чувства показывают лишь тени. Любые попытки увидеть дальше часто смущают нас: мы не привыкли к такому; и всё же мы продолжаем идти вперед. Наука и есть такие искания. Научная мысль исследует и переосмысливает мир, предлагая всё более точные его образы: она учит мыслить эффективнее. Наука – это непрерывное исследование форм мышления. Её сила – в умении разрушать предвзятые идеи, открывать новые грани реальности и создавать новые, более совершенные образы мира. Это путешествие в неизведанное опирается на всю накопленную сумму знаний, но душа его – в переменах, в стремлении заглянуть дальше. Мир огромен и красочно переливчат; мы хотим увидеть его, погрузиться в его тайну и красоту – ведь там, за горизонтом лежат ещё неисследованные земли. Неопределённость, в которой мы пребываем, шаткость нашего положения над бездной необъятного и неизвестного, не лишает жизнь смысла – напротив, делает её еще более ценной.

Эту книгу я написал, чтобы рассказать о том, что лично для меня является чудом и истинной целью этого приключения. Я писал её для читателя, который ничего не знает о физике, но которому любопытно открыть для себя то, что сегодня мы понимаем и чего не понимаем об элементарном устройстве мира, и в каком направлении ищем. А также – как попытку передать невероятную палитру реальности, открывающейся с этой точки зрения.

Я писал её и для коллег, сопровождавших меня в этом путешествии, разбросанных по всему миру, и для молодых энтузиастов науки, которые только собираются вступить на этот путь, Моей задачей было создать целостный образ физической реальности, преломлённый сквозь призму как теории относительности, так и квантовой механики. Это не просто популярное изложение; эта книга – попытка предложить связное видение в области, где за технической сложностью языка нередко теряется общая картина.

Наука создается экспериментами, гипотезами, уравнениями, вычислениями и дискуссиями, но всё это – лишь инструменты, подобные инструментам музыканта. В музыке в конечном итоге важна сама музыка, а в науке – то понимание мира, которое она нам дарит. Чтобы постичь смысл открытия того, что Земля обращается вокруг Солнца, не нужно погружаться в детальные расчёты Коперника; чтобы осознать значимость идеи общего происхождения всего живого, не нужно прослеживать все тонкости аргументации Дарвина. Суть науки – в умении читать великую книгу Природы, постоянно расширяя поле зрения.

В этой книге я делюсь сегодняшним видением этого поиска, моим пониманием нынешнего состояния дел, стремясь прояснить главные узлы и их взаимосвязи. Это попытка представить, как я ответил бы коллеге и другу на вопрос: «Ну а ты сам как считаешь, что происходит на самом деле?», так, словно бы между нами завязалась неспешная беседа долгим летним вечером на берегу моря.

Часть первая
Истоки

Эта книга берет свое начало в Милете двадцать шесть веков назад. Но почему вдруг в работе о квантовой гравитации заходит речь о столь древних событиях, людях и идеях? Да простит меня читатель, который спешит добраться до квантов пространства, но идеи, как правило, гораздо легче понять, если проследить их от самых корней, а многие концепции, впоследствии оказавшиеся действенными для постижения мира, зародились более двух тысячелетий назад. Кратко осветив путь их возникновения, мы яснее их осмыслим, и тогда последующие шаги покажутся простыми и естественными.

Но есть и нечто большее. Некоторые проблемы, поставленные давным-давно, и по сей день не теряют своей актуальности для постижения мира, а порой даже самые современные представления о структуре пространства отсылают к понятиям и вопросам, введённым в ту далёкую эпоху. Говоря о древних идеях, я сразу же обозначаю фундаментальные вопросы, которые будут ключевыми для понимания основ квантовой гравитации. Это позволит, представляя ее, отделить ту часть идей, что восходит к истокам научной мысли (пусть они и кажутся нам подчас непривычными), от тех её аспектов, что являются радикально новыми. Мы увидим, что связь между проблемами, поставленными мыслителями древности, и решениями, найденными Эйнштейном и квантовой гравитацией, очень тесна.

1
Зёрна реальности

– Пo преданию, в 450 году до нашей эры некий человек сел на корабль, отправлявшийся из Милета в Абдеры (рис. 1, 1). Это плавание стало поворотным моментом в истории познания.

Вероятно, он бежал от политических потрясений в Милете, где знать жестокими методами возвращала себе утраченную власть. В те времена Милет процветал, будучи богатейшим городом Греции, быть может, главным в эллинском мире до золотого века Афин и Спарты. Как крупный торговый центр, он управлял сетью из почти сотни колоний и факторий, раскинувшейся от Черного моря до Египта. Сюда прибывали караваны из Месопотамии, корабли со всего Средиземноморья, а вместе с ними – новые идеи.

Рис. 1.1. Путешествие Левкиппа из Милета, основателя атомистической школы (около 450 г. до н. э.)

За предшествующее столетие в Милете совершился переворот в мысли, определивший судьбу человечества. Школа мыслителей заново утвердила сам способ ставить вопросы о мире и искать на них ответы. Величайшим из них был Анаксимандр.

Испокон веков – по крайней мере с тех пор, как до нас дошли письменные свидетельства, – люди задавались вопросами о происхождении мира, его устройстве, природе вещей и причинах явлений. Тысячелетиями ответы звучали удивительно схоже: запутанные истории о духах, богах, вымышленных и мифических животных и тому подобное. От клинописных табличек до древнекитайских текстов, от иероглифических надписей в пирамидах до мифов народа сиу, от древнейших индийских писаний до Библии, от африканских сказаний до преданий австралийских аборигенов – всюду одно и то же пёстрое, но, в сущности, утомительное шествие Пернатых Змеев, Великих Коров, гневливых, вздорных или милостивых богов, творящих мир дыханием над бездной, изрекающих «Fiat lux» или являющихся из каменного яйца.

А потом, в начале VI века до нашей эры, в Милете Фалес, его ученик Анаксимандр, Гекатей и их школа открывают иной путь поиска ответов; путь, который не взывает к мифам, духам и богам, но ищет разгадку в самой природе вещей. Этот небывалый переворот мысли рождает новый способ познания и знаменует первый рассвет научного мышления.

Милетцы понимают, что умело применяя наблюдение и разум, не ища в фантазиях, древних мифах и религии ответов на то, чего мы не знаем, и, главное, искусно пользуясь критическим мышлением, можно снова и снова пересматривать свой взгляд на мир, открывать грани реальности, невидимые невооружённому глазу, и узнавать новое.

Решающим открытием становится, пожалуй, сам стиль мышления, при котором ученик уже не обязан слепо чтить и разделять идеи учителя, но может надстраивать над ними собственные, не колеблясь отбрасывать и подвергать сомнению то, что считает несовершенным. Этот третий путь – между безоговорочной приверженностью школе и столь же безоговорочным противостоянием ей – становится краеугольным камнем, открывающим путь колоссальному развитию философской и научной мысли. С этого момента знание начинает расти головокружительными темпами, питаясь мудростью прошлого, но одновременно – обладая способностью критиковать и, следовательно, совершенствовать эту мудрость. Ослепительный зачин исторического труда Гекатея схватывает самую суть критического мышления, включая осознание собственной уязвимости: «Я пишу то, что представляется мне истинным; ибо рассказы эллинов исполнены противоречий и смехотворны».

Легенда гласит, что Геракл спускался в Аид у мыса Тенар, Гекатей посещает Тенар, удостоверяется, что никакого подземного хода, никакого входа в Аид там нет, и объявляет легенду ложной. Это и есть рассвет новой эры.

Действенность этого нового подхода к познанию оказалась стремительной и ошеломляющей. Спустя всего несколько лет Анаксимандр постигает, что Земля парит в небе, а небо простирается и под Землёй; что дождевая вода рождается из испарения земных вод; что всё многообразие веществ в мире должно объясняться единой, простой первоосновой, которую он называет owisipov (апейрон) – «беспредельное»; что животные и растения развиваются и приспосабливаются к меняющейся среде; что человек произошёл от других животных, – и так далее, закладывая основы той грамматики понимания мира, которой пользуемся и мы.

Расположенный на стыке нарождающейся эллинской цивилизации и древних империй Месопотамии и Египта, впитывая их знание, но существуя в атмосфере исконно греческой свободы и политической подвижности, в социальном пространстве, где нет императорских дворцов и могущественных жреческих каст, где рядовые граждане обсуждают на площади свою судьбу, Милет становится местом, где люди впервые сообща вырабатывают собственные законы, где собирается первый парламент в истории мира – Панионий, святилище для встреч делегатов Ионийского союза, где впервые подвергается сомнению мысль, что лишь боги способны объяснять непостижимые явления мира. Спор ведёт к наилучшим решениям для общества, спор способен привести к пониманию мира. Таково колоссальное наследие Милета – колыбели философии, естественных наук, географических и исторических изысканий. Без преувеличения можно сказать, что вся научная и философская традиция Средиземноморья, Запада, а затем и Нового времени имеет один из важнейших своих истоков в размышлениях милетских мыслителей VI века.¹¹

Этому светлому Милету вскоре суждено было погибнуть ужасной смертью. Вторжение Персидской державы и неудавшееся антиимперское восстание привели в 494 году до н. э. к жестокому разрушению города и обращению в рабство множества его жителей. В Афинах поэт Фриних поставил трагедию «Взятие Милета», до глубины души потрясшую афинян; впоследствии её даже запретили возобновлять на сцене – слишком сильную скорбь она пробуждала. Однако двадцать лет спустя греки отразили персидскую угрозу, Милет возродился, вновь заселился, вернул себе роль торгового и интеллектуального центра и продолжил излучать свою мысль и дух.

Этим духом, должно быть, был движим и тот человек, с которого мы начали главу: в 450 году, по преданию, он отплыл из Милета в Абдеры. Имя его – Левкипп. О его жизни нам известно мало.² Он написал книгу под названием «Большая космология». Обосновавшись в Абдерах, он основал научную и философскую школу, к которой вскоре примкнул молодой ученик, чья долгая тень накрыла мысль всех времён, – Демокрит (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Демокрит Абдерский

Их учения сливаются воедино. Подлинные труды обоих утрачены. И если Левкипп был учителем, то Демокрит – великим учеником: он написал десятки книг по всем областям знания и пользовался в древности глубочайшим уважением тех, кто эти книги знал. Его причисляли к величайшим мудрецам. «Тончайший ум среди древних»,– говорит о нем Сенека.³² «Кого можно поставить рядом с ним не только по величию ума, но и по величию души?» – вопрошает Цицерон.⁴³

Именно Демокрит воздвиг величественный собор античного атомизма. Что же открыли Левкипп и Демокрит? Милетцы поняли: мир постижим разумом. Они уверились, что многообразие природных явлений должно сводиться к чему-то простому, и искали, что бы это могло быть. Они представляли себе некую первооснову, из которой составлено всё. Анаксимен предположил, что эта субстанция способна сгущаться и разрежаться, превращаясь тем самым из одного элемента мироздания в другой. Это были ростки физики – элементарные, грубые, но устремлённые в верном направлении. Требовалась идея, великая идея, великое прозрение, которое угадало бы, в чём же сокрытый порядок мира. Идея явилась Левкиппу и Демокриту.

Великая мысль Демокрита предельно проста: вся Вселенная – это необозримое пустое пространство, в котором несутся несметные атомы. В мироздании нет ничего, кроме этого. Пространство бескрайне, в нём нет ни верха, ни низа, ни центра, ни границ. Атомы не имеют никаких качеств, кроме своей формы: ни веса, ни цвета, ни вкуса: «Сладкое – лишь мнение, горькое – лишь мнение, тёплое – лишь мнение, холодное – лишь мнение, цвет – лишь мнение; истинно же – атомы и пустота».⁵⁴

Атомы неделимы – это элементарные зёрна реальности, которые невозможно рассечь далее, и из которых состоит всё сущее. Они свободно движутся в пространстве, сталкиваются, сцепляются, толкают и тянут друг друга. Сходные атомы притягиваются и соединяются.

Таково строение мира. Такова реальность. Всё остальное – лишь производное, случайное и побочное следствие этого движения и этих сочетаний атомов. Бесконечное разнообразие всех веществ мира рождается из соединения атомов.

Когда атомы объединяются, значение имеют лишь их форма, расположение в структуре и способ сочетания. Подобно тому как из двух десятков букв алфавита, по-разному их комбинируя, можно сложить и комедию, и трагедию, и нелепую байку, и великую эпическую поэму,– точно так же комбинации элементарных атомов порождают мир во всём его бескрайнем многообразии. Это сравнение принадлежит Демокриту⁶⁵

В этой необъятной пляске атомов нет ни цели, ни замысла. Мы, как и вся природа, – лишь один из бесчисленных результатов этого бесконечного танца. Продукт случайного сочетания. Природа непрестанно испытывает новые формы и структуры, а мы, подобно животным, – итог случайного и непреднамеренного отбора, длившегося невообразимо долго. Наша жизнь – сочетание атомов, наша мысль состоит из тончайших атомов, наши сны порождены атомами, наши надежды и чувства записаны на языке атомных соединений, свет, что мы видим, – атомы, несущие нам образы. Из атомов сложены моря, города и звёзды. Это грандиозное, безбрежное, невероятно простое и невероятно мощное прозрение, на котором впоследствии воздвигнется знание целой цивилизации.

На этом основании Демокрит выстроил в десятках книг обширную систему, охватывающую вопросы физики, философии, этики, политики, космологии. Он писал о природе языка, о религии, о зарождении человеческих обществ и многом другом. (Поразительно начало его «Малой космологии»: «В этом сочинении я рассматриваю все вещи».) Все эти книги утрачены. Мы знаем его учение лишь по упоминаниям, цитатам и пересказам других античных авторов.^7б Из этих источников проступает глубокий гуманизм, рационалистический и материалистический.⁸⁷ Демокрит соединяет пристальнейшее внимание к природе, озарённое ясной естественнонаучной интуицией, где сметены последние остатки мифологического мышления, с глубочайшим вниманием к человеку и серьёзным этическим взглядом на жизнь, за две тысячи лет предвосхищая лучшие черты Просвещения. Этический идеал Демокрита – безмятежность духа, достигаемая умеренностью и равновесием, опорой на разум, не позволяющей страстям захлестнуть душу Платон и Аристотель хорошо знали Демокрита и оспаривали его взгляды. Они противопоставляли им иные представления, которые впоследствии веками тормозили рост знания. Оба настойчиво отвергали естественнонаучные объяснения Демокрита, стремясь постигать мир телеологически – полагая, что всё происходящее имеет некую цель (способ мышления, оказавшийся крайне малопродуктивным для познания природы), или в категориях добра и зла, смешивая вопросы человеческие с теми, что нас не касаются.

Аристотель подробно и с большим уважением излагает идеи Демокрита. Платон же никогда не упоминает его по имени, но современные исследователи полагают, что это осознанный выбор, а не следствие незнания. Критика демокритовских воззрений подспудно присутствует во многих текстах Платона, например в его нападках на «физиков». В одном из пассажей «Федона» Платон вкладывает в уста Сократа упрёк всем «физикам», оставивший след в веках: Платон сетует, что, когда «физики» объяснили ему шарообразность Земли, он воспротивился, ибо желал знать, в чём «благо» Земли, как её шарообразность служит её благу. Платоновский Сократ рассказывает, как увлёкся физикой, а затем разочаровался:

«… я думал, что он прежде всего скажет мне, плоска Земля или кругла, а затем объяснит причину и необходимость этого, указав на лучшее, и докажет, что Земле лучше быть именно такой; и если он скажет, что Земля находится в центре [мира], докажет ли, что это место – лучшее для неё».⁹⁸

Как же ошибался здесь великий Платон!

Есть ли предел делимости?

Ричард Фейнман, величайший физик второй половины XX века, в начале своих блистательных лекций по физике пишет:

«Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались уничтоженными и к грядущим поколениям перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза (можете называть её не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов. В этой фразе содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь применить к ней немного воображения и чуть-чуть соображения»,¹⁰⁹

К идее, что всё состоит из атомов, без всякой современной физики пришёл уже Демокрит. Каким образом? У него были доводы, основанные на наблюдении; например, он предполагал (и справедливо), что истирание колеса или высыхание развешанного белья объясняются медленным ускользанием мельчайших частиц дерева или воды. Были у него и доводы философского свойства. Остановимся на них, потому что их сила простирается до самой квантовой гравитации.

Демокрит замечает: материя не может быть непрерывным целым, в самой идее непрерывности заключено противоречие. Ход его мысли известен благодаря Аристотелю.¹¹¹⁰ Вообразим, говорит Демокрит, что материя делима до бесконечности, то есть её можно дробить бесконечное число раз. Представим, что мы раздробили кусок материи, скажем, бесконечно. Что останется? Могут ли остаться частицы, обладающие протяжённостью? Нет – тогда дробление не было бы доведено до предела. Следовательно, останутся только точки, лишённые протяжённости. Но попробуем теперь собрать кусок материи обратно из точек: сложив две точки без протяжённости, мы не получим ничего протяжённого; ни три, ни четыре точки ничего не изменят. Сколько бы точек мы ни складывали, протяжённость не возникнет – ведь они не имеют размера. Значит, нельзя мыслить материю составленной из непротяжённых точек: сколько их ни собирай, никогда не получится нечто, обладающее размером. Единственная возможность, заключает Демокрит, – что любой кусок материи состоит из конечного числа дискретных, неделимых крупиц, каждая из которых, однако, имеет конечную величину атомов.

Исток этого тонкого рассуждения – до Демокрита. Оно приходит из Чиленто, с юга Италии, из города Велия, который в V веке до н. э. назывался Элея и был цветущей греческой колонией. Там жил Парменид – философ, воспринявший, быть может, слишком буквально, даже чрезмерно, милетский рационализм и рождённую в Милете великую идею, что разум способен показать нам вещи отличными от того, какими они являются на самом деле. Парменид исследовал путь чистой истины, доступной лишь разуму, и объявил иллюзорным любое явление, открыв дорогу метафизике, которая всё дальше уводила от того, что позднее назовут «естественными науками».

Но скептицизм Парменида породил и иную ветвь мысли. Его ученик Зенон прославился парадоксами, доказывавшими, что представления о движении и множественности вещей ведут к неразрешимым противоречиям.¹²¹¹ Самый знаменитый парадокс про Ахиллеса и черепаху. Быстроногий Ахиллес никогда не догонит черепаху, рассуждает Зенон, потому что пока он добежит до места, где черепаха была, она уже отползёт чуть дальше; пока он преодолеет это расстояние – она ещё чуть-чуть продвинется, и так до бесконечности. Коль скоро мы видим, что Ахиллес настигает и обгоняет любую черепаху, – заключает Зенон, – значит, видимое нами иррационально, а следовательно, иллюзорно.

Скажем честно: неубедительно. Где же ошибка? Возможный ответ заключается в том, что Зенон не прав, потому что сумма бесконечного числа слагаемых не обязательно бесконечна. Возьмём верёвочку, отрежем половину, потом половину от половины и так далее, без конца. В итоге получится бесконечное число верёвочек, всё более мелких, но сумма их длин будет конечна – ведь она всегда равна длине исходной верёвки. Стало быть, бесконечное число верёвочек может составить верёвочку конечной длины; бесконечное число промежутков времени может составить конечное время, и герой, даже преодолевая бесконечную последовательность всё уменьшающихся отрезков и тратя на каждый конечное время, всё же настигнет черепаху за конечный промежуток.¹³

Казалось бы, парадокс разрешён. Решение заключается в идее континуума, то есть представления о том, что существуют сколь угодно малые промежутки времени, бесконечное множество которых в сумме даёт конечное время. Аристотель первым смутно ощущает эту возможность; математика Нового времени разработает её детально.

Но действительно ли это правильное решение в реальном мире? Существуют ли на самом деле сколь угодно малые верёвочки? Способны ли мы делить верёвку до бесконечности? Бывают ли в самом деле бесконечно малые промежутки времени? Бесконечно малые участки пространства? Вот с какой проблемой предстоит столкнуться квантовой гравитации.

По античному преданию, Зенон встречался с Левкиппом и был его наставником. Стало быть, Левкипп знал зеноновские хитросплетения. Но он избрал иной путь их разрешения. Быть может, предполагает Левкипп, сколь угодно малого не существует, и делимость имеет предел.

Вселенная зерниста, а не непрерывна. Из бесконечно малых точек никогда не сложить протяжённость (как в доводе Демокрита, изложенном Аристотелем). Протяжённость верёвочки должна образовываться конечным числом объектов конечной величины. Верёвочку нельзя дробить до бесконечности; материя не бесконечна, она состоит из единичных атомов конечного размера.

Справедливо абстрактное рассуждение или нет, но сегодня мы уже знаем, что его вывод во многом верен. Материя действительно имеет атомарное строение. Разделив каплю воды надвое, получим две капли воды. Каждую из этих капель можно делить снова и снова. Но продолжать до бесконечности нельзя. На каком-то этапе останется одна-единственная молекула – и мы у предела. Капли воды меньше одной молекулы воды не существует.

Откуда же нам это известно? Свидетельства копились веками. Многие пришли из химии. Химические вещества – это всегда сочетания немногих элементов, и пропорции (весовые) в них выражаются целыми числами. Химики выработали способ представлять вещества состоящими из молекул – фиксированных комбинаций атомов. Например, вода Н₂О – два атома водорода и один кислорода.

Но то были лишь косвенные указания. Ещё в начале прошлого века многие учёные и философы считали атомную гипотезу вздором. В их числе, например, крупный физик и философ Эрнст Мах, чьи идеи о пространстве окажутся впоследствии крайне важны для Эйнштейна. По окончании доклада Больцмана в Императорской академии наук в Вене Мах публично заявляет: «Я не верю в существование атомов!» На дворе 1897 год. Многие, как и Мах, всё ещё полагали, что обозначения химиков – лишь условный способ обобщения правил реакций, а не отражение реальности, в которой молекула воды действительно состоит из двух атомов водорода и одного кислорода. Атомов не видно, говорили они. И никогда не будет видно. И вообще, спрашивали они, какой же величины атом? Демокрит так и не сумел их измерить…

Окончательное доказательство так называемой «атомной гипотезы» – что материя слагается из атомов – пришлось ждать до 1905 года. Окончательное доказательство гипотезы Левкиппа и Демокрита нашёл двадцатипятилетний бунтарь и непоседа, изучавший физику, но не сумевший устроиться работать физиком и перебивавшийся скромной должностью служащего в бернском патентном бюро.

Об этом юноше я буду еще много говорить на страницах этой книги, равно как и о трёх статьях, которые он отправил в 1905 году в самый авторитетный физический журнал того времени – Annalen der Physik. Первая из этих статей содержит неоспоримое доказательство существования атомов и вычисляет их размеры, окончательно закрывая проблему, поставленную Левкиппом и Демокритом двадцать три века назад.

Имя этого двадцатипятилетнего юноши, разумеется, Альберт Эйнштейн (рис. 1, 3).

Как ему это удалось? Идея невероятно проста. До неё мог бы додуматься кто угодно, начиная со времён Демокрита, будь у него эйнштейновская проницательность и достаточное владение математикой, чтобы выполнить расчёт (который, кстати, был не так-то прост). Идея такова: если внимательно наблюдать за очень маленькими частицами, например пылинками или зёрнами пыльцы, взвешенными в воздухе или жидкости, можно заметить, как они дрожат. Подгоняемые этой дрожью, они беспорядочно мечутся, зигзагообразно смещаясь и дрейфуя, постепенно удаляясь от исходной позиции. Это зигзагообразное движение частиц в текучей среде назвали «броуновским» – в честь биолога Роберта Броуна, подробно описавшего его в XIX веке.

Рис. 1.3. Альберт Эйнштейн

Типичная траектория частицы, подчиняющейся этому движению, показана на рисунке 1.4. Частица словно получает случайные толчки то с одной, то с другой стороны. В сущности, не «словно», а именно так: она вздрагивает, потому что её ударяют отдельные молекулы воздуха – то справа, то слева.

Рис. 1.4. Типичная траектория броуновского движения

Тонкость заключается в следующем. Молекул воздуха существует огромное множество; в среднем число ударов слева и справа одинаково. Будь молекулы воздуха бесконечно малы и бесконечно многочисленны, действие толчков справа и слева в каждый миг в точности уравновешивалось бы, и частица оставалась бы неподвижной. Но конечный размер молекул и их конечное, а не бесконечное количество порождает флуктуации (вот ключевое слово): толчки никогда не уравновешиваются абсолютно точно в определенный момент – равновесие достигается лишь в среднем. Вообразим на миг, что молекул мало и они довольно крупны: тогда частица явственно получала бы лишь отдельные удары – то справа, то слева – и заметно перемещалась бы, точно мяч, который пинают бегающие по полю мальчишки. Чем мельче молекулы, тем точнее уравновешиваются удары за малый промежуток времени и тем слабее перемещается частица.

Таким образом, применив немного математики, можно по величине перемещения наблюдаемого зёрнышка вычислить размер молекул. Это и делает двадцатипятилетний Эйнштейн. На основе наблюдений за дрейфом крупиц в жидкостях, измерений степени этого дрейфа он рассчитывает размеры демокритовских атомов – элементарных зёрен, из которых сложена материя, – и спустя 2300 лет даёт окончательное доказательство истинности главной интуиции Демокрита: материя зерниста.

Природа вещей

Carmina sublimis tunc sunt peritura Lucreti, exitio terras cum dabit una dies¹⁴

Я часто думаю, что утрата всего собрания сочинений Демокрита¹⁵ – это величайшая интеллектуальная трагедия, последовавшая за крушением античной цивилизации. Предлагаю читателю ознакомиться со списком заголовков Демокрита в примечании; трудно не прийти в смятение, представляя себе, что мы потеряли из обширного научного наследия древности.

До нас, к несчастью, дошёл полный Аристотель – на нём впоследствии выстроилась западная мысль. Демокрит же не дошёл почти вовсе. Быть может, сохранись у нас полный Демокрит, а не Аристотель, интеллектуальная история нашей цивилизации сложилась бы иначе.

Но векам господства монотеистической единственно верной мысли не дано было сберечь рационалистический, материалистический натурализм Демокрита. После жестоких антиязыческих гонений, последовавших за эдиктами императора Феодосия 390–391гг, н.э., объявившими христианство единственной и обязательной религией Империи, широко и планомерно проводилось закрытие античных философских школ и уничтожение всех текстов, не согласных с христианским учением. Платон и Аристотель – язычники, но верившие в бессмертие души – могли быть терпимы торжествующим христианством. Демокрит – нет. Однако один текст всё же уцелел в этой катастрофе и дошёл до нас целиком. Через него мы отчасти знакомимся с мыслью античного атомизма и, главное, с духом той науки. Это великолепная поэма «О природе вещей» – De rerum natura – латинского поэта Лукреция.

Лукреций следует философии Эпикура, ученика одного из учеников Демокрита. Эпикур более озабочен вопросами этики, нежели науки; его мысль не обладает демокритовской глубиной. Порой он поверхностно перетолковывает атомизм Демокрита. Но его картина природы – это, по сути, картина великого абдерского философа. Лукреций облекает в стихи учение Эпикура, а значит, и атомизм Демокрита, чем спасает часть этой глубокой мысли от интеллектуального крушения тёмных веков.

Лукреций воспевает атомы, море, Природу, небо. В сияющих стихах излагает он философские вопросы, научные идеи, тонкие доводы, «Я объясню, какими силами Природа правит бегом Солнца и странствием Луны, дабы мы не думали, будто они по своей воле совершают меж Небом и Землёй годовой бег, или влекомы неким божественным замыслом…»^{16 12}

Красота поэмы – в чувстве изумления, пронизывающем великое атомистическое прозрение.

В ощущении глубокого единства всего сущего, рождённом знанием: мы созданы из той же субстанции, что звёзды и море:

«Все мы рождены от небесного семени; у всех один и тот же отец, от которого мать-земля принимает прозрачные капли дождя, и затем, оплодотворённая, рождает светлую пшеницу, тучные деревья, род человеческий и все породы зверей, доставляя пищу, которой все питают свои тела для сладостной жизни и для продолжения потомства…»¹⁷¹³

В поэме царит ощущение светлого спокойствия и безмятежности, идущие от понимания: нет капризных богов, требующих трудных жертв и карающих. Звенит лёгкая, трепетная радость – с первых же чудесных стихов, обращенных к Венере, лучезарному символу творящей силы Природы:

 
[…] Ветры бегут пред тобой, в небесах облака разгоняя.
Где появляешься ты, там искусница-почва цветами
Путь устилает тебе; улыбается тихое море.
И, успокоившись, небо все блещет лучистым сияньем.^18 14
 

В ней – глубокое приятие жизни, частью которой мы являемся:

 
Неужели для вас непонятно.
Что ничего для Природы не нужно иного, как только
Сладостным чувством души наслаждаться спокойно, из тела
Всякую боль устранив и откинув весь страх и заботы?^19 15
 

И безмятежное приятие неизбежной смерти, стирающей все страдания, которой нет причин страшиться. Для Лукреция религия – это невежество, а разум – светоч, разгоняющий мрак.

Текст Лукреция, забытый на столетия, был вновь обретён в январе 1417 года в библиотеке одного немецкого монастыря гуманистом Поджо Браччолини. Поджо, бывший секретарём многих пап, был страстным охотником за древними рукописями, следующим по стопам великих находок Франческо Петрарки. Его находка текста Квинтилиана изменила учебные программы юридических факультетов по всей Европе; открытие архитектурного трактата Витрувия преобразило искусство строить дворцы. Но величайшим его триумфом стало обретение Лукреция. Книга, найденная Поджо, утрачена, но копия, сделанная его другом Никколо Никколи, и поныне хранится во Флоренции, в Библиотеке Лауренциана, под названием «Кодекс Лауренцианус 3530».

Конечно, почва для нового была уже готова, когда Поджо возвратил Европе книгу Лукреция.

Уже в поколении Данте зазвучали совсем новые ноты:

 
Вы, чьи глаза мне душу взволновали,
Кто ото сна мой разум пробудил,
Взгляните, как я жизнь свою избыл:
Любовь вздыхает, дни в огне пропали.^20 16
 

Однако обретение De rerum natura оказало глубочайшее воздействие на итальянский и европейский Ренессанс,²¹¹⁷ ее отзвуки прямым или косвенным образом слышны на страницах самых разных авторов, от Галилея^{22 18} от Кеплера,^{23 19} от Бэкона до Макиавелли. У Шекспира, век спустя после Поджо, появляется очаровательное видение атомов:

 
Меркуцио: Все королева Маб. Ее проказы.
Она родоприемница у фей,
А по размерам – с камушек агата
В кольце у мэра. По ночам она
На шестерне пылинок цугом ездит
Вдоль по носам у нас, пока мы спим.
В колесах – спицы из паучьих лапок,
Каретный верх – из крыльев саранчи,
Ремни гужей – из ниток паутины,
И хомуты – из капелек росы.
На кость сверчка накручен хлыст из пены,
Комар на козлах – ростом с червячка,
Из тех, которые от сонной лени
Заводятся в ногтях у мастериц, […]. ^24 20
 

В «Опытах» Монтеня – не менее сотни цитат из Лукреция. Но прямое влияние Лукреция доходит до Ньютона, Дальтона, Спинозы, Дарвина, вплоть до Эйнштейна. Сама эйнштейновская идея, что существование атомов обнаруживается в броуновском движении мельчайших частиц, взвешенных в жидкости, прослеживается уже у Лукреция. Вот строки из поэмы, где он приводит доводы (наглядное «живое доказательство») в пользу атомной идеи:

 
[…] Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,
Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,
Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света;
Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах
В схватки бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя,
Или сходясь, или врозь беспрерывно опять разлетаясь.
Можешь из этого ты уяснить себе, как неустанно
Первоначала вещей в пустоте необъятной мятутся.
Так о великих вещах помогают составить понятье
Малые вещи, пути намечая для их постиженья […]²⁵²¹
 

Эйнштейн воскресил это «наглядное доказательство», представленное Лукрецием и, вероятно, первоначально сформулированное Демокритом, придав ему незыблемую прочность, переведя на язык математики, – и тем самым сумел вычислить размеры атомов.

Католическая церковь предприняла попытку остановить Лукреция: в декабре 1516 года Флорентийский синод запретил чтение его книг в школах. В 1551 году Тридентский собор внёс труд Лукреция в перечень запрещённых. Но было уже поздно. Целостное видение мира, некогда сметённое средневековым христианством, снова возвращалось в Европу, которая теперь глядела на него широко открытыми глазами. И дело не ограничивалось лукрецианским натурализмом, рационализмом, атеизмом или материализмом. Не только светлая, безмятежная медитация о красоте мира вновь становилась доступной. Перед Европой открывалось нечто куда более значительное: стройная, сложносочинённая система мысли, новый способ понимания реальности, не имевший ничего общего с тем, чем веками жило Средневековье.²⁶²²

Средневековый космос, воспетый Данте, истолковывал мир сквозь призму духовной и иерархической организации Вселенной, отражавшей устройство европейского общества: сферическое строение космоса с Землей в центре; непреодолимая разделённость Земли и Неба; телеологические, иносказательные объяснения всех природных явлений; страх перед Богом и смертью; равнодушие к природе; представление, что формы, предшествующие вещам, определяют структуру мироздания; убеждение, что лишь прошлое. Откровение и традиция могут быть источниками знания…

В мире Демокрита, воспетом Лукрецием, нет ничего подобного. Нет страха перед богами, нет целей или причин мироздания, нет космической иерархии, нет разделения на Землю и Небо. Есть глубочайшая любовь к природе, безмятежное растворение в ней, признание: мы – её неотъемлемая часть, люди, женщины, мужчины, животные, растения, облака – органические фрагменты чудесного, не знающего иерархий целого. Есть чувство глубокого универсализма, идущее от великолепных слов Демокрита: «Мудрецу открыта вся земля; ибо отечество добродетельной души – целая Вселенная».^{27 23} Есть дерзновение мыслить мир в простых категориях, исследовать и постигать тайны Природы. Знать больше, чем знали отцы. И есть изумительный понятийный инструментарий, на котором возведут свои системы Галилей. Кеплер, Ньютон: идея свободного, прямолинейного движения в пространстве; представление об элементарных телах и их взаимодействиях, созидающих мир; идея пространства как вместилища мироздания.

И есть ещё одна мысль – о пределе делимости, о том, что мир состоит из зёрен. Эта мысль останавливает бесконечность – даже ту, что способна уместиться у нас меж пальцев. Из неё выросла атомная гипотеза, чтобы столетия спустя с новой силой зазвучать в квантовой механике, а сегодня, вновь оказавшись в центре внимания, проложить дорогу квантовой гравитации.

Тот, кто первым соберёт воедино фрагменты картины, начавшей проступать из естествознания Возрождения, и возведёт великое прозрение Демокрита – многократно усиленное – в центр современного понимания мира, появится на свет в Англии. Ему суждено стать величайшим учёным всех времён и одним из главных героев следующей главы.

2
Классики

Исаак и маленькая луна

Если вдруг в предыдущей главе у читателя сложилось впечатление, будто бы я утверждаю, что Платон и Аристотель лишь тормозили развитие научной мысли, поспешу это впечатление исправить. Аристотелевы исследования природы – например, в области ботаники и зоологии – представляют собой выдающиеся научные труды, основанные на тончайшем наблюдении за окружающим миром. Ясность мысли, внимание к многообразию биологических видов, поразительный интеллект и широта кругозора великого философа служили образцом и для будущих поколений. Именно ему мы обязаны первой известной нам упорядоченной физической системой, и она вовсе не так плоха.

Аристотель излагает её в книге, которая так и называется – «Физика». И это не книга получила название от дисциплины, а скорее, наоборот: дисциплина – от книги Аристотеля. Вот как, по его мнению, устроена физика. Прежде всего следует различать Небо и Землю. На Небе всё состоит из прозрачной субстанции, которая пребывает в вечном движении вокруг Земли, заключённая в большие концентрические сферы; Земля же, также имеющая форму шара, покоится в центре. В свою очередь, на Земле нужно различать движение вынужденное и естественное. Вынужденное движение вызывается толчком и прекращается, когда этот толчок иссякает. Естественное же происходит по вертикали – вверх или вниз – в зависимости от природы вещества. У каждого вещества есть своя «естественная точка» – уровень, на котором оно пребывает в покое: ниже всего – земля, немного выше – вода, ещё выше – воздух, а выше всех – огонь. Когда мы поднимаем камень и отпускаем его, тот, повинуясь естественному движению, возвращается на своё «законное» место. А пузырьки воздуха в воде или пламя в воздухе устремляются вверх – тоже к своей «естественной точке».

Не стоит, однако, относиться к этому подходу насмешливо или пренебрежительно от него отмахиваться. Перед нами довольно верное и точное описание движения тел, погружённых в текучую среду и подчиняющихся силе тяжести и трению,– а именно так ведут себя все тела в нашем повседневном опыте. Это не «ошибочная» физика, как её часто называют²⁸, а всего лишь упрощение. Но ведь и ньютоновская физика может показаться попыткой упростить общую теорию относительности. Как, вероятно, и всё, что мы знаем сегодня, – всего лишь попытка приблизиться к чему-то иному, пока нам неведомому. Физика Аристотеля, конечно, несколько грубовата и не годится для точных расчетов, но она весьма последовательна, рациональна и позволяет делать качественные предсказания, которые сбываются. Недаром она веками служила образцом для понимания движения в окружающем мире.

Пожалуй, ещё важнее для будущего науки оказался Платон. Именно он осознал всё значение великой интуиции Пифагора и пифагорейцев: ключ к тому, чтобы двинуться дальше, превзойдя Милет, заключен в математике. Пифагор родился на Самосе, островке напротив Милета, и, согласно античным биографам (Ямвлиху, Порфирию), в юности был учеником уже немолодого Анаксимандра. Всё берёт начало в Милете. Пифагор много странствовал, вероятно, побывал в Египте и Вавилоне, и в конце концов обосновался на юге Италии, в Кротоне, где основал религиозно-политико-научный союз, сыгравший важную роль в жизни города и оставивший человечеству бесценное наследие: открытие теоретической значимости математики. Именно ему приписывают слова: «Число владеет формами и идеями».²⁹²⁴

Платон очистил пифагореизм от изрядной доли мистической шелухи и извлёк из него главное: язык, пригодный для понимания и описания мира, – это математика. Масштаб этой догадки огромен, и именно ей во многом объясняется успех западной науки. По преданию, Платон велел высечь над входом в свою Академию слова: «Не геометр да не войдет».

Именно Платон поставил роковой вопрос – вопрос, из которого долгим, тернистым путём произойдёт наука Нового времени. Своим ученикам, изучавшим математику, он предложил отыскать математические законы, которым следуют небесные тела, видимые на небе. Венера, Марс, Юпитер хорошо различимы на ночном небе, и их движение среди неподвижных звёзд кажется несколько беспорядочным – они то идут вперёд, то возвращаются. Можно ли описать и предсказать эти движения посредством законов математики?

Эти научные экзерсисы, начатые ещё в платоновской Академии Евдоксом и развитые в последующие века величайшими астрономами – Аристархом и Гиппархом, – подняли античную астрономию на небывалую высоту. Мы знаем о ее триумфах благодаря единственной уцелевшей книге – «Альмагесту» Птолемея, Птолемей – астроном, живший в Александрии довольно поздно, в I веке нашей эры, в римский период, когда наука уже клонилась к упадку, незадолго до того, как исчезнуть вовсе, сметённая крушением эллинистического мира и задушенная христианизацией Империи. Книга Птолемея – великий научный труд. Строгий, точный, сложный, он представляет систему математической астрономии, способную предсказывать, казалось бы, случайные блуждания планет по небу с почти абсолютной точностью, насколько это возможно сделать невооружённым глазом. Эта книга – доказательство того, что интуиция Пифагора работает. Математика даёт нам возможность описывать мир и предсказывать будущее: по видимости беспорядочные движения планет можно точно вычислять с помощью математических формул. Птолемей, обобщив результаты вековых трудов греческих астрономов, излагает их систематически и мастерски. И сегодня, потратив некоторое время на изучение этой книги, можно овладеть его методами и рассчитать, например, будущее положение Марса на небе. И это спустя две тысячи лет после создания этих методов. Понимание того, что такие чудеса возможны, – основа современной науки, и мы в немалой степени обязаны этим Пифагору и Платону.

После крушения античной науки в Средиземноморье не осталось никого, кто был бы способен понять Птолемея или другие немногие великие книги, уцелевшие после катастрофы, – например, «Начала» Евклида. В Индии, куда греческое знание проникло благодаря многочисленным торговым и культурным связям, эти труды изучали и понимали. Из Индии это знание вернулось на Запад благодаря учёным персам и арабам, сумевшим его освоить и сохранить. Но астрономия не делала сколь-нибудь значительных шагов вперёд более тысячи лет.

Примерно в то время, когда Поджо Флорентиец отыскал рукопись Лукреция, витавший в воздухе живой дух итальянского гуманизма и восторг перед античными текстами опьянил и одного молодого поляка, приехавшего учиться сперва в Болонью, а затем в Падую. Он подписывался на латинский манер: Nicolaus Copernicus. Юный Коперник изучает «Альмагест» Птолемея и влюбляется в него, решая посвятить жизнь астрономии и следовать по стопам великого Птолемея.

Но теперь пришли другие времена, и вот спустя более тысячи лет после Птолемея Коперник совершает рывок, на который не отважились поколения индийских, арабских и персидских астрономов: он не просто учится, применяет и шлифует птолемееву систему, но глубоко преобразует её, осмеливаясь менять детали в самой их основе. Вместо описания небесных тел, вращающихся вокруг Земли, Коперник создаёт своего рода исправленное и дополненное издание «Альмагеста» – но теперь в центре Солнце, вокруг которого вместе с другими планетами обращается Земля.

Таким образом, надеялся Коперник, расчёты должны были бы работать лучше. На деле, работали они немногим лучше птолемеевских, а кое в чём даже хуже. Но идея была верной. Вот только придется дождаться следующего поколения и Иоганна Кеплера, чтобы заставить систему Коперника функционировать как следует. Кеплер кропотливым, терпеливым, почти маниакальным трудом, опираясь на новые, точнейшие наблюдения положений планет на небе, показывает, что несколько новых простых математических законов в точности описывают движение планет вокруг Солнца – с точностью ещё более высокой, чем та, которой достигли древние. На дворе 1600 год, и впервые удаётся сделать нечто лучшее, чем удавалось в Александрии более тысячи лет назад.

А пока Кеплер на холодном севере вычисляет движения на небе, итальянец Галилео Галилей дарит крылья новой науке. Экспансивный и вспыльчивый, но при этом образованнейший и умнейший, неистощимый на выдумку и всегда готовый к полемике, он выписывает из Голландии образец нового изобретения – зрительную трубу – и совершает поступок, перевернувший историю человечества: наводит её на небо.

Он видит то, чего люди прежде не могли себе и представить: кольца Сатурна, лунные кратеры, фазы Венеры, спутники Юпитера… Каждое из этих явлений лишь подкрепляет теорию Коперника. Посредством новейших инструментов и изобретений раскрываются близорукие глаза человечества на мир, куда более обширный и многообразный, чем оно доселе предполагало.

Но великая мысль Галилея, убеждённого в правоте коперниковой системы, а значит, и в том, что Земля – такая же планета, как и прочие, состоит в том, чтобы сделать логический вывод из совершённого Коперником переворота: если движения на небе подчиняются точным математическим законам, а Земля – такая же планета, стало быть, и она часть неба, а значит, и на Земле должны существовать точные математические законы, управляющие движением тел.

Убежденный в этой глубинной рациональности Природы и осмысленности пифагорейско-платоновской мечты о постижимости мира с помощью математики. Галилей решает изучать, как движутся тела на Земле, когда их ничто не удерживает, то есть во время свободного падения. Он уверен, что и здесь должен существовать некий математический закон, и ищет его путем опытов. Впервые в истории человечества проводится эксперимент, именно с Галилея начинается экспериментальная наука. Опыт прост: он роняет тела, позволяя им совершать то, что Аристотель считал их естественным движением, и пытается точно измерить скорость падения.

Результат ошеломляет: тела падают не с постоянной скоростью, как прежде предполагалось, но скорость нарастает равномерно, в ходе падения. Следовательно, постоянна не скорость падения, а ускорение, то есть быстрота ее изменения. Мало того, это ускорение одинаково для всех тел. Галилей измеряет его и находит равным 9,8 метра в секунду за секунду, другими словами, за каждую секунду скорость падающего тела возрастает на 9,8 метра в секунду. Запомните это число. Это первый математический закон, открытый для земных тел: закон свободного падения тел (x(t) = 1/2 at²). До тех пор математические законы находили лишь для движения планет по небу. Стало быть, математическое совершенство присуще не только Небу.

Но главное открытие ещё впереди, и совершит его величайший англичанин Исаак Ньютон, Глубоко изучив результаты Галилея и Кеплера и сопоставив их, Ньютон обнаруживает скрытый бриллиант. Проследим за его рассуждением, как он сам его излагает, прибегая к образу «маленькой луны» в своей великой книге «Математические начала натуральной философии» – книге, заложившей фундамент современной науки.

Представим себе,– пишет Ньютон,– что у Земли много лун, как у Юпитера. Помимо настоящей Луны, вообразим и другие, в частности маленькую луну, обращающуюся вокруг Земли на самом близком расстоянии, скажем, почти ее касаясь, чуть выше горных вершин. С какой скоростью двигалась бы эта маленькая луна? Один из законов, открытых Кеплером, связывает радиус орбиты с периодом обращения³⁰ Зная радиус орбиты Луны (его ещё в древности измерил Гиппарх) и период ее вращения (месяц), мы можем простой пропорцией вычислить период вращения маленькой луны. Пропорция даёт период в полтора часа: то есть именно за такое время маленькая луна совершала бы оборот вокруг Земли.

Всякое тело, движущееся по окружности, меняет направление своей скорости; всякое изменение скорости есть ускорение. Маленькая луна обладает ускорением, направленным к центру окружности, по которой она движется. Это ускорение легко вычислить, зная радиус орбиты и скорость движения по ней (а = v²/r). Ньютон проделывает несложный расчёт и получает… ровно 9,8 метра в секунду за секунду!

И именно такое число получил Галилей при расчете ускорения тел, падающих здесь, на Земле!

Совпадение? Быть того не может, рассуждает Ньютон. Если результат один и тот же – ускорение вниз, 9,8м/с², – то должна совпадать и причина. Стало быть, причина, заставляющая маленькую луну двигаться по орбите, – та же, что заставляет тела падать на Землю.

Явление, повинуясь которому происходит падение тел, мы называем «гравитацией» и, следовательно, именно гравитация заставляла бы маленькую луну обращаться вокруг Земли. Без гравитации маленькая луна улетела бы прочь по прямой. Но тогда вокруг Земли, притягиваемая гравитацией, вращается и настоящая Луна! А значит, и луны Юпитера притягиваются Юпитером, и планеты обращаются вокруг Солнца, притягиваемые Солнцем! Если бы не это притяжение, каждое небесное тело улетело бы в бескрайнее пространство. Стало быть. Вселенная – это огромное пространство, где тела движутся прямолинейно и притягиваются друг к другу под влиянием неких «сил», а посредством универсальной силы тяготения каждое тело притягивает любое другое…

Наконец обретает очертания грандиозная картина; в одночасье, спустя тысячелетия, исчезает разделение на Небо и Землю; нет больше «естественных точек» для вещей, как полагал Аристотель; нет центра мира; предоставленные сами себе тела не стремятся к своей естественной точке, а движутся прямолинейно вечно.

Простой расчёт, проделанный для гипотетической маленькой луны, позволяет Ньютону понять, как действует сила тяготения, и определить её величину (F = G [MjM₂/r²]), задаваемую тем, что мы сегодня называем «постоянной Ньютона» и обозначаем буквой G (от gravity – тяготение). Сила тяготения, понимает Ньютон, действует одинаково и на Земле, и на небе. На Земле она заставляет тела падать; на небе – удерживает планеты и спутники на их орбитах. Но сила одна и та же. Это полное ниспровержение ключевых установок аристотелевского мира – той самой картины мира, что господствовала в Средневековье. Вспомним, например, Вселенную Данте: как и у Аристотеля, Земля там – шар в центре Вселенной, окруженный небесными сферами. Теперь это не так. Вселенная – бескрайнее и бесконечное пространство, усеянное звёздами, без центра и без границ. В ней движутся материальные тела, несущиеся свободно и прямолинейно, если только сила, порождённая другим телом, не заставит их отклониться. У Ньютона прослеживается прозрачная связь с античным атомизмом, хоть и выраженная в условных формулах:

«Мне кажется весьма вероятным, что Бог с сотворением мира создал и материю из твёрдых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц, наделив их определёнными размерами и формами, определёнными свойствами и пропорциями относительно пространства…»³¹²⁵

Мир ньютоновской механики прост и представлен на рис. 2.1 и 2.2. Это возвращение мира Демокрита. Это мир, состоящий из необъятного, однородного, всюду себе равного пространства, в котором вечно движутся взаимодействующие друг с другом частицы, – и ничего более. Мир, который воспоет Леопарди:

<…>…безбрежные пространства/за ним, и сверхчеловеческое безмолвье,/и глубочайший покой/я в мысли обретаю..<…>

Рис. 2.1. Как устроен мир?

Рис. 2.2. Мир по Ньютону: частицы, движущиеся в пространстве, с течением времени притягивающиеся под влиянием сил

Но теперь это прозрение неизмеримо могущественнее демокритовского, ибо оно не просто образ, позволяющий упорядочить мир, – оно соединяется с математикой, наследием Пифагора, и с великой традицией математической физики александрийской астрономии. Мир Ньютона – это мир Демокрита, но математизированный.

Ньютон без колебаний признаёт долг новой физики перед античной наукой.

Например, в первых строках «Системы мира» он (вполне справедливо) приписывает древности происхождение основных идей коперниковой революции: «Философы с древних времен пребывали в уверенности, что в высших областях мира неподвижно пребывают неподвижные звёзды, а Земля обращается вокруг Солнца», хотя представления его о том, кто именно что утверждал в древности, несколько сбивчивы, и он, к месту и не совсем, цитирует Филолая, Аристарха Самосского, Анаксимандра, Платона, Анаксагора, Демокрита и (!) «учёнейшего Нуму Помпилия, царя римского».

Мощь нового интеллектуального построения Ньютона оказалась невероятной, превзойдя все ожидания. Вся технология XIX века и современного мира в огромной степени опирается на формулы Ньютона. Прошло три столетия, но именно благодаря теориям, основанным на уравнениях Ньютона, мы по сей день строим мосты, поезда и небоскрёбы, двигатели и гидравлические системы, научились поднимать в воздух самолёты, рассчитывать прогноз погоды, предсказывать существование планеты прежде, чем её увидят, и отправлять на Марс космические корабли… Современный мир немыслим без маленькой луны Ньютона.

Новая, всеобъемлющая картина мира, подход, на который с восторгом будет взирать Просвещение – Вольтер, Кант, – конкретный метод вычисления будущего. Система отсчёта и образец для всех прочих наук. Всем этим была и остаётся грандиозная ньютонианская революция мысли.

Казалось бы, ключ к пониманию реальности найден: мир состоит лишь из бескрайнего пространства, где с течением времени движутся частицы, притягивающие друг друга силами. Именно к этой схеме, по-видимому, сводится всё. У нас есть точные уравнения, управляющие этими движениями, и эти уравнения демонстрируют колоссальную эффективность. Ещё в XIX веке писали, что Ньютон был не только одним из умнейших и дальновиднейших людей, но и одним из счастливейших, потому что существует единственная система фундаментальных законов мира, и именно ему выпала удача её открыть. Казалось бы, всё предельно ясно.

Но действительно ли всё?

Майкл: поля и свет

Ньютон прекрасно осознавал, что выведенные им уравнения описывают не все силы, существующие в природе. Должны быть и другие, помимо тяготения, которые толкают тела и заставляют их притягиваться друг к другу – ведь они движутся не только когда падают. Таким образом, первая задача, поставленная, но не решенная Ньютоном, заключалась в том, чтобы понять природу этих иных сил. Однако окончательного решения пришлось ждать до XIX века, и оно принесло с собой два грандиозных сюрприза. Первый состоял в том, что почти все наблюдаемые в природе явления управляются, помимо гравитации, всего одной-единственной силой – той, что сегодня мы называем «электромагнитной». Именно эта сила удерживает вещество, образуя твёрдые тела, связывает атомы в молекулах, а электроны – в атомах. Именно она обеспечивает работу химии, а значит, и живой материи. И эта же сила действует в нейронах нашего мозга, заставляя их переносить сведения о воспринимаемом нами мире. Она же порождает трение, останавливающее скользящий предмет, смягчает приземление парашютистов, заставляет вращаться электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания³² зажигает лампочки, позволяет нам слушать радио, и так далее.

Второй сюрприз, имевший ключевую роль в рамках обсуждаемой нами темы, состоит в том, что прояснение природы этой силы потребовало важного изменения ньютоновской картины мира. Из этого изменения рождается современная физика, и в нём же возникает важнейшее для дальнейшего повествования понятие – «поля».

Понять, как работает электромагнитная сила, удалось еще одному британцу, а точнее, двум: Майклу Фарадею и Джеймсу Клерку Максвеллу. История науки еще не видела двух менее похожих между собой людей (рис. 2.3).

Майкл Фарадей родился в бедной лондонской семье и не имел формального образования. Работал сперва в переплётной мастерской, затем в лаборатории, где сумел себя проявить, завоевал доверие и вырос в гениальнейшего экспериментатора и величайшего провидца физики XIX века. Не зная математики, он пишет замечательную книгу по физике, практически не содержащую уравнений. Физику он видит мысленным взором и мысленным же взором творит миры. Джеймс Клерк Максвелл, напротив, – богатый шотландец аристократического рода, один из крупнейших математиков столетия. Разделённые бездной интеллектуального стиля и социального происхождения, они, однако, сумели понять друг друга и, соединив два рода гения, открыли путь современной физике.

Рис. 2.3. Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл

В начале XVIII века об электричестве и магнетизме почти ничего не было известно – кроме разве что парочки забавных фактов, годившихся для балаганных фокусов: о стеклянных палочках, притягивающих клочки бумаги, магнитах, отталкивающихся и притягивающихся, и все такое прочее. База знаний об электричестве и магнетизме постепенно пополнялась на протяжении практически всех XVIII и XIX веков. В лондонской лаборатории Фарадея было полно катушек, игл, магнитов, пластин и железных клеток, и он исследовал, как притягиваются и отталкиваются наэлектризованные и намагниченные предметы. Будучи добрым ньютонианцем, он, как и все, пытается понять свойства силы, действующей между заряженными или намагниченными телами. Но постепенно, работая в тесном контакте с этими предметами, приходит к догадке, которая ляжет в основу современной физики. Он «видит» нечто новое.

Догадка Фарадея заключается в следующем: не нужно, подобно Ньютону, думать о силах, действующих непосредственно между удалёнными друг от друга телами. Следует представлять себе иную реальность, разлитую повсюду в пространстве; она видоизменяется электрическими и магнитными телами и, в свою очередь, влияет на эти тела (заставляя их отталкиваться и притягиваться). Сегодня реальность, о существовании которой догадался Фарадей, называется «полем».

Так что же такое «поле»? В представлении Фарадея оно состоит из пучков тончайших (бесконечно тонких) линий, заполняющих пространство. Гигантская невидимая паутина, раскинувшаяся повсюду вокруг нас. Он называет эти линии «силовыми», потому что они как бы «несут силу»: подобно тросам, которые тянут и толкают груз, разносят электрический и магнитный заряд (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Поле, заполняющее пространство, и два предмета, получившие электрический заряд, с которыми это поле взаимодействует. Сила между этими двумя предметами «переносится» теми самыми «силовыми линиями» поля

Предмет, получающий электрический заряд (например, потёртая стеклянная палочка), искажает вокруг себя электрические и магнитные поля, которые, в свою очередь, порождают силу, действующую на всякий заряженный предмет, в них погружённый. Стало быть, два заряда, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга, сами не притягиваются и не отталкиваются – это происходит через посредство среды, находящейся между ними.

Если взять в руки два магнита и немного поиграть с ними, приближая друг к другу и ощущая силу притяжения и, главное, отталкивания, то можно прийти к той же догадке, что и Фарадей: «почувствовать» через её воздействие поле, залегающее между магнитами.

Это представление в корне отличается от ньютоновской идеи силы, действующей на расстоянии между двумя телами. Но Ньютону оно пришлось бы по душе, ведь он и сам был озадачен этой своей идеей. Каким образом Земля притягивает Луну, находящуюся так далеко? Как Солнце притягивает Землю, не касаясь её? Вот что он писал в одном из своих писем:

«Немыслимо, чтобы неодушевлённая материя могла без посредства чего-то иного, материального, воздействовать на другую материю и влиять на нее без взаимного соприкосновения».³³²⁶

Более того, далее он развил свою мысль:

«Мысль о том, что тяготение могло бы быть врождённым, неотъемлемым свойством материи, так что тело могло бы действовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства чего бы то ни было […] представляется мне столь нелепой, что, полагаю, ни один человек, способный к философскому мышлению, никогда не сможет её принять. Тяготение должно вызываться неким агентом, действующим по определённым законам; однако материальна эта причина или нематериальна, предоставляю судить моим читателям».³⁴²⁷

Выходит, здесь Ньютон называет нелепым собственный труд, восхваляемый веками как величайший триумф науки! Он понимает, что за действием на расстоянии его силы тяготения должно стоять нечто иное, но пока не представляет, что именно, и оставляет вопрос… «на усмотрение читателей»!

Гению свойственно осознавать границы собственных достижений – даже перед лицом таких колоссальных результатов, как открытие Ньютоном законов механики и всемирного тяготения. Теория Ньютона так хорошо работала и была столь полезна, что на протяжении двух столетий никто не ставил её под сомнение. Пока Фарадей – тот самый «читатель», на усмотрение которого Ньютон оставил вопрос, – не нашёл ключ к пониманию того, каким образом тела могут притягиваться и отталкиваться на расстоянии. Позднее решение Фарадея к самому ньютоновскому тяготению применит Эйнштейн.

Вводя эту новую сущность, «поле», Фарадей радикально выходит за пределы элегантной и простой ньютоновской онтологии: мир теперь не сводится лишь к частицам, движущимся в пространстве с течением времени. Появляется новый действующий персонаж – поле. Фарадей сознаёт значимость совершаемого им шага. В его книге есть прекрасные страницы, где он размышляет об этих «силовых линиях» и спрашивает себя: действительно ли они существуют? После череды сомнений и размышлений он заключает, что да, они реальны, но предлагает этот вывод «с той осторожностью, которая необходима, когда касаешься глубочайших вопросов науки».^{35 28} Он сознаёт: после двух столетий неуклонных успехов ньютонианства он изменяет саму структуру мира (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Как устроен мир?

Максвелл быстро понимает, что в этой идее скрыта самая суть, и переводит догадку Фарадея, которую тот излагал лишь словами, на язык уравнений, уместив их на одной странице.³⁶ Это уравнения Максвелла. Они описывают поведение электрического и магнитного полей – математическую версию «фарадеевых линий».³⁷

Ныне уравнения Максвелла ежедневно применяются для описания всех электрических и магнитных явлений, для расчёта антенны, радиоприёмника, электродвигателя, компьютера. Мало того, оказалось, что эти же уравнения объясняют устройство атомов (скреплённых электрическими силами), почему частицы вещества, образующие камень, держатся друг за друга, как работает Солнце, и, по сути, охватывают ошеломляющее множество явлений. Почти всё, что мы наблюдаем в окружающем мире, за исключением гравитации и немногого другого, прекрасно описывается уравнениями Максвелла.

Но и это не всё. Есть и ещё одно открытие, быть может, одно из самых замечательных в истории науки: уравнения объясняют природу света. Максвелл сам замечает, что его уравнения предсказывают возможность колебаний фарадеевых линий, их способность волнообразно двигаться, подобно морским волнам. Колебания этих линий распространяются со скоростью, которую Максвелл вычисляет и которая оказывается… в точности равной скорости света! Что это означает? Максвелл понимает значение полученного результата: свет оказывается ничем иным, как колебаниями фарадеевых линий! Фарадей и Максвелл не только поняли, как устроены электричество и магнетизм, но разгадали попутно, что такое свет!

Мы видим мир вокруг нас в цвете, но что такое, собственно, цвет? Всего лишь частота (быстрота колебаний) электромагнитных волн, образующих свет. Если волны колеблются немного быстрее, свет кажется нам «более синим». Если немного медленнее, то «более красным». Цвет в нашем восприятии – психофизическая реакция на нервные сигналы, идущие от рецепторов глаза, которые способны различать электромагнитные волны разной частоты.

Каково же было Максвеллу, когда он понял, что его уравнения, рождённые для описания сил между катушками, клетками и иголками из лаборатории Фарадея, объясняют свет и цвета? Свет – лишь быстрое дрожание паутины фарадеевых линий, подёргивающейся рябью, точно озеро под дуновением ветра. Стало быть, дело не в том, что мы «не видим» фарадеевых линий, а в том, что видим только те из них, что вибрируют, «Видеть» означает воспринимать свет, а свет – это движение фарадеевых линий. Ничто не переносится с места на место в пространстве без того, что его несёт. Если мы видим играющего на пляже ребёнка, то лишь потому, что между ним и нами простирается это озеро вибрирующих линий, доносящих до нас его образ. Ну разве этот мир не удивителен?

Открытие поразительно, но это ещё не всё. Дальнейшее его развитие имело неоценимое практическое значение для всего человечества. Максвелл понимает, что уравнения предсказывают возможность колебаний фарадеевых линий и на гораздо более низких частотах – то есть более медленных, – чем частота света. Должны существовать иные волны, которых никто никогда не видел; их может порождать движение электрических зарядов, а они, в свою очередь, способны вызывать это самое движение. Стало быть, можно, колебля заряд в одной точке, создать волну, которая приведёт в движение заряд в другой точке. Всего через несколько лет эти волны, теоретически предсказанные Максвеллом, были обнаружены немецким физиком Генрихом Герцем, а ещё немного погодя Маркони сконструировал с их помощью первое радио.

Все современные технологии связи – радио, телевидение, телефоны, компьютеры, спутниковые навигаторы, Wi-Fi, интернет – это приложение предсказания Максвелла; его уравнения служат инженерам связи основой всех расчётов. Вся нынешняя цивилизация, зиждущаяся на быстроте коммуникаций, родилась из прозрения бедного лондонского переплётчика, умевшего проникать в суть идей и обладавшего живым воображением, увидевшего мысленным взором линии, и талантливого математика, облёкшего это в уравнения и понявшего, что волны на этих линиях могут мгновенно переносить информацию с одного конца планеты на другой.

Таким образом, все современные технологии основаны на использовании физического объекта – электромагнитных волн, который не был «открыт» в привычном смысле: он был сперва «предсказан» математически Максвеллом, который просто отыскал правильное математическое описание, согласующееся с догадкой, позволившей Фарадею упорядочить свои наблюдения над катушками и иглами. В этом заключается потрясающая мощь теоретической физики.

Мир изменился, теперь он состоит не просто из частиц в пространстве, но из частиц и полей, движущихся в пространстве (рис. 2, 6). Казалось бы, разница невелика, но спустя несколько десятилетий это открытие позволит одному еврейскому юноше, гражданину мира, сделать вывод, превосходящий даже самые смелые представления Майкла Фарадея, и это ещё серьезнее поколеблет мир Ньютона,

Рис. 2.6. Мир Фарадея и Максвелла: частицы и поля, движущиеся в пространстве с течением времени

Часть вторая
Истоки революции

Физика XX века радикально преобразила ньютоновскую картину мира. Сегодня действенность этих преобразований не вызывает сомнений и лежит в основе множества технологий. Такое существенное углубление нашего понимания мира опирается на две великие теории: общую теорию относительности и квантовую механику.

Обе они требуют от нас смелого пересмотра привычных представлений о мире: теория относительности – о пространстве и времени; квантовая механика – о материи и энергии.

В этом разделе я во всех подробностях представлю обе теории, чтобы сделать как можно понятнее их ключевой посыл с точки зрения физики и продемонстрировать, насколько революционными оказались заложенные в них концепции. Именно они положили начало магии физики XX века. Попытка изучить их и по-настоящему понять – увлекательнейшее приключение.

Эти две теории предсталяют собой фундамент, на котором сегодня строятся поиски квантовой гравитации. Давайте же отправимся дальше, опираясь на эти два столпа – теорию относительности и квантовую механику.

3
Альберт

Отец Альберта Эйнштейна монтировал электростанции в Италии. Когда Альберт был подростком, уравнениям Максвелла исполнилась всего пара десятилетий, но в Италии уже начиналась промышленная революция, и все турбины с трансформаторами, которые монтировал его отец, конструировались, опираясь на эти уравнения. Сила новой физики была очевидна.

Альберт был бунтарем. Родители оставили его в Германии, чтобы он мог посещать гимназию, но он находил немецкую школу слишком жесткой, тупой и милитаристской; после конфликта со школьным начальством он бросил учебу, а затем отправился вслед за родителями в итальянский город Павия, где вел праздное существование. Родители редко понимают, что подростковое безделье – это наилучшее времяпрепровождение. Потом он отправился учиться в Швейцарию, где, вопреки собственному желанию, не сумел с первой попытки поступить в Высшую технологическую школу Цюриха. Когда же по окончании университета не смог найти там же работу чтобы жить вместе с любимой девушкой, вынужден был устроиться на службу в бернское патентное бюро.

Для выпускника-физика это было не ахти какое занятие, но зато теперь у Альберта было время думать и работать, чем он и воспользовался. В сущности, он так поступал с детства: вместо того чтобы заниматься тем, чему учили в школе, он читал «Начала» Евклида и «Критику чистого разума» Канта.

В двадцать пять лет Эйнштейн пишет три статьи и отправляет их в научный журнал Annalen der Physik. Каждая из этих статей заслуживала по меньшей мере Нобелевской премии. Каждая – абсолютный столп нашего нынешнего понимания мира. О первой я уже говорил: в ней юный Альберт вычисляет размер атомов и доказывает спустя двадцать три века, что выводы Демокрита были верны, именно из них состоит материя.

Вторая статья – та, что принесла Эйнштейну наибольшую известность, в ней он вводит теорию относительности. Именно теории относительности посвящена эта Глава.

По правде говоря, теорий относительности две. Конверт, отправленный двадцатипятилетним Эйнштейном, содержал изложение первой из них – сегодня ее называют (в Италии) «узкой теорией относительности», а в целом общепринято название «специальная теория относительности». Специальная теория относительности – это важное прояснение структуры пространства и времени, и я изложу её, прежде чем перейти к глобальной общей теории. Специальная теория – тонкая и концептуально трудная, и, на мой взгляд, сложнее для усвоения, чем общая теория относительности. Пусть читатель не падает духом, если следующий небольшой раздел покажется ему трудным. Вводимые в нём понятия впервые показывают, что в ньютоновской картине мира не просто чего-то недостаёт, но есть нечто, что необходимо радикально изменить, если мы хотим понять мир, причём изменить так, что это пойдёт вразрез с привычными представлениями. И это первое по-настоящему глубокое преобразование самых привычных понятий.

Расширенное настоящее

Теории Ньютона и Максвелла, по-видимому, обнаруживают между собой тонкие противоречия. Уравнения Максвелла определяют скорость – скорость света. Но механика Ньютона была несовместима с существованием фиксированной скорости, потому что в уравнения Ньютона всегда входит ускорение, а не скорость. В физике Ньютона скорость – это всегда скорость чего-то относительно чего-то другого. Галилей подчеркивал, что Земля может двигаться, даже когда мы этого не замечаем, потому что то, что мы здесь называем «скоростью»,– это всегда скорость «относительно Земли». Скорость, как говорят, понятие относительное. То есть не существует скорости объекта самой по себе, лишь скорость одного объекта относительно другого. Этому учили студентов-физиков в XIX веке и этому же учат сегодня. Но если так, то скорость света, определяемая уравнениями Максвелла, – это скорость относительно чего?

Вот один из вариантов ответа: существует некая универсальная субстанция, относительно которой свет движется с этой скоростью. Но тогда неясно, какие эффекты должна была бы иметь эта субстанция, поскольку, так или иначе, прогнозы в рамках теории Максвелла, кажется, от неё не зависят. В частности, все предпринятые в конце XIX века экспериментальные попытки использовать свет для измерения скорости Земли относительно этой гипотетической субстанции провалились.

Эйнштейн утверждал, что на верный путь разрешения недоразумения его натолкнули не какие-то особые эксперименты, а просто размышление о связи между уравнениями Максвелла и механикой Ньютона и вопрос: не может ли теория Максвелла в конечном счете согласовываться с сутью открытий Ньютона и Галилея, а именно с тем фактом, что скорость – понятие лишь относительное?

Исходя из подобных соображений, Эйнштейн приходит к ошеломляющему открытию. Чтобы понять, о чём идёт речь, дорогой читатель, подумай обо всех событиях прошлых, настоящих и будущих относительно момента, когда ты это читаешь, и представь, что они расположены, как на рисунке 3.1.

Рис. 3.1. Пространство и время до Эйнштейна

Итак, открытие Эйнштейна заключается в том, что этот рисунок неверен. В действительности дело обстоит так, как показано на рисунке 3.2.

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

Между прошлым и будущим каждого события (например, между прошлым и будущим для тебя там, где ты находишься, и в тот самый миг, когда ты сейчас читаешь) существует некая «промежуточная зона», «расширенное настоящее» этого события – зона, которая не является ни прошлым, ни будущим. Это и есть специальная теория относительности.

Длительность этой «промежуточной зоны»³⁸, которая не является ни прошлым, ни будущим относительно тебя сейчас, очень мала и зависит от расстояния до тебя, как показывает рисунок 3.2: чем дальше от тебя, тем больше её длительность. На расстоянии пары метров от твоего носа, читатель, длительность того, что для тебя является «промежуточной зоной» – ни прошлым, ни будущим, – составляет несколько наносекунд, то есть миллиардных долей секунды: проще говоря, ничто. Гораздо меньше того, что мы способны заметить (число наносекунд в секунде равно числу секунд в 30 годах). На другом берегу океана от тебя длительность этой «промежуточной зоны» – тысячная доля секунды, что всё ещё значительно ниже нашего порога восприятия времени, то есть минимального промежутка времени, который мы способны различить нашими органами чувств (порядка нескольких десятых долей секунды). Но на Луне длительность расширенного настоящего составляет несколько секунд, а на Марсе – четверть часа. Это значит, что мы можем сказать: на Марсе есть события, которые в данный конкретный момент уже произошли, события, которым ещё предстоит произойти, но есть также четверть часа событий, происходящих там, которые для нас не являются ни прошлыми, ни будущими.

Они есть нечто иное. Об этом ином мы раньше и не подозревали, потому что здесь, рядом с нами, это «иное» длится слишком мало, а наш разум недостаточно быстр, чтобы его заметить. Но оно существует и вполне реально.

Вот почему невозможно выстроить беседу в комфортном режиме, когда один из собеседников находится на Земле, а другой – на Марсе. Если я на Марсе, а ты здесь, я задаю тебе вопрос, ты отвечаешь, как только слышишь, что я сказал, а твой ответ доходит до меня через четверть часа после того, как я задал вопрос. Эти четверть часа для меня – время, которое не является ни прошлым, ни будущим относительно момента твоего ответа. Ключевой момент, понятый Эйнштейном, заключается в том, что эти четверть часа неизбежны: нет никакого способа их сократить. Они вплетены в ткань событий пространства и времени: их нельзя сократить в том же смысле, в каком нельзя отправить письмо в прошлое.

Странно, но это так. Как странно и то, что в Сиднее люди живут вниз головой относительно нас, но это так. Потом привыкаешь, и всё становится нормальным и вполне разумным. Такова структура пространства и времени.

Это означает, что о событии, происходящем на Марсе, нельзя сказать, что оно происходит «прямо сейчас», потому что этого «прямо сейчас» не существует (рис.33).³⁹Выражаясь техническим языком, Эйнштейн понял: не существует «абсолютной одновременности», то есть совокупности событий во Вселенной, которые все существовали бы «сейчас». Наше «сейчас» есть только здесь. Совокупность событий Вселенной нельзя правильно описать как последовательность моментов в настоящем, следующих один за другим; у неё более сложная структура, как на рисунке 3.2. Рисунок описывает то, что в физике называют пространством-временем: совокупность прошлого и будущего относительно некоего события, а также того, что не является «ни прошлым, ни будущим», что не есть мгновение, но обладает длительностью.