Редакцию Фактрума завораживает физика! Мы публикуем статью, как один из знаменитейших физиков-теоретиковнашего времени, Стивен Хокинг, искал Бога, а нашёл…
«Веками считалось, что такие, как я, то есть люди с ограниченными возможностями, прокляты Богом. Думаю, что я кого-то сейчас расстрою, но лично я считаю, что можно все объяснить по-другому, а именно — законами природы», — это слова самого знаменитого ученого современности, британского астрофизика Стивена Хокинга. Они раскрывают сущность отношения Хокинга со Всевышним.
Не надо быть психологом, чтобы понять: Хокинг всю жизнь борется с Богом за то, что он его так «покарал». Но может быть, все было наоборот — создатель «наказал» ученого за то, что, еще будучи юношей, до начала своей болезни, он решил постичь его тайну? Иронию этого парадокса можно сравнить разве что с иронией Вселенной, замкнутой самой на себе, которая конечна по протяженности, но не имеет границ. Подобные антиномии существуют на границе физики и философии. Но с точки зрения законов природы — есть ли создатель? Мы расскажем, что об этом думает сам Стивен Хокинг.
Наука и религия
Эти противоположности борются друг с другом уже около трех тысяч лет. В 1277 году папа Иоанн XXI так испугался того, что существуют законы природы, что объявил их ересью. Но, увы, он не смог запретить даже одного из них — гравитацию. Несколько месяцев спустя крыша дворца обрушилась прямо папе на голову.
Впрочем, религия с ее пластичной логикой сразу нашла решение всех проблем. Она быстро объявила законы природы делом рук божьих, которые изменят эти законы в любой момент, как только «захотят». И костер — тому, кто помыслит другое.
Позже выяснилось, что все чуть сложнее. Смиренная церковь была готова и к этому. В 1985 году на конференции по космологии в Ватикане папа Иоанн Павел II заявил, что нет ничего предосудительного в изучении устройства Вселенной. «Но мы, — подчеркнул папа, — не должны задаваться вопросом о ее происхождении, так как это было дело рук Создателя». Но Стивен Хокинг все-таки задался.
Для ответа на этот вопрос, по словам Хокинга, необходимо понять природу всего трех ингредиентов, составляющих «блюдо Вселенной»: материи, энергии и пространства. Но откуда они взялись на этой «кухне»? Ответ на это дал Эйнштейн. Но и он «стоял на плечах гигантов», поэтому обо всем по порядку.
Аристотель, Ньютон и Галилей
В основу своих законов движения Ньютон, как известно, положил измерения Галилея. Напомним, что в экспериментах последнего тело скатывалось с наклонной плоскости под действием постоянной силы, придававшей ему постоянное ускорение. Так, было показано, что реальный эффект от действия силы — изменение скорости тела, а не приведение его в движение, как считалось до того. Еще отсюда следовало, что пока тело не подвергается действию какой-либо силы, оно перемещается по прямой линии с постоянной скоростью (Первый закон Ньютона).
Помимо законов движения, работы Ньютона описывают и определение величины конкретного вида силы — гравитации. Согласно Закону всемирного тяготения, любые два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс.
Главное различие между взглядами Аристотеля с одной стороны и идеями Галилея и Ньютона с другой в том, что Аристотель считал покой естественным состоянием любого тела, к которому оно стремится, если не испытывает действия какой-нибудь силы. Аристотель, например, считал, что Земля пребывает в состоянии покоя. Но из законов Ньютона следует: никакого покоя нет. Все находится в движении. И Земля, и поезд, едущий по ней.
Что из этого? Отсутствие абсолютного «стандарта покоя» для физики имело те же последствия, что для воспитанницы церковно-приходского училища — поступление в университет. Из этого следовало, что нельзя определить, случились ли два события, происходившие в разное время, в одном и том же месте. А это уже означает не что иное, как отсутствие абсолютного, фиксированного пространства. Ньютона это сильно обескуражило, поскольку не согласовывалось с его идеей абсолютного бога. В итоге он фактически отказался от этого вывода, который был следствием им же открытых законов.
Зато и у Аристотеля, и у Ньютона нашлось общее «успокоительное»: вера в абсолютное время. Они полагали, что можно измерить его интервал между двумя событиями, и полученная цифра будет одной и той же, кто бы его ни измерял (если использовать точные часы, разумеется). В отличие от абсолютного пространства, абсолютное время очень даже ладило с законами Ньютона, а большинство людей и сегодня считает, что это соответствует здравому смыслу. Но потом появился Эйнштейн…
3 равно 2
Называвший сам себя «цыганом и бродягой», великий Эйнштейн выяснил, что два компонента Вселенной — материя и энергия — это, по сути, одно и то же, как две стороны одной монеты. Его знаменитое E = mc2 (где E — энергия, m — масса тела, c — скорость света в вакууме) означает, что массу можно рассмотреть как вид энергии, и наоборот. Таким образом, Вселенную нужно рассматривать как «пирог», состоящий уже всего из двух составляющих: энергии и пространства. Но как он к этому пришел?
Одному и тому же предмету — например, летящему шарику для пинг-понга — можно приписать разную скорость. Все зависит от того, относительно какой системы отсчета эту скорость измерять. Если мячик брошен внутри едущего поезда — его скорость можно вычислить относительно поезда, а можно — относительно земли, по которой этот поезд едет, и которая, как известно, тоже движется и вокруг своей оси, и вокруг Солнца, которое и само движется… и так далее, без конца.
Если верить законам Ньютона, то же должно относиться и к свету. Но благодаря Максвеллу науке стало известно, что скорость света неизменна, откуда бы мы ее ни измеряли. Чтобы примирить теорию Максвелла с механикой Ньютона, была принята гипотеза о том, что повсюду, даже в вакууме, есть некая среда, называемая «эфир». Согласно теории эфира, световые волны (а мы знаем, что свет одновременно имеет свойства и волны, и частицы) распространяется в нем так же, как звуковые волны в воздухе, и их скорость должна измеряться относительно этого эфира. В этом случае разные наблюдатели регистрировали бы разные значения скорости света, но относительно эфира она оставалась бы постоянной.
Однако знаменитый эксперимент Майкельсона-Морли, состоявшийся в 1887 году, заставил ученых отказаться от идеи эфира навсегда. К великому удивлению самих экспериментаторов, им удалось доказать, что скорость света не меняется никогда, относительно чего бы она не измерялась.
Принцип относительности Эйнштейна гласит, что законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся систем, независимо от их скорости. Это было верно для законов движения Ньютона, однако теперь Эйнштейн распространил свою гипотезу и на теорию Максвелла.
Это означает, что, раз скорость света является постоянной, то любой свободно движущийся наблюдатель должен фиксировать одно и то же значение, которое не будет зависеть от скорости, с которой он приближается к источнику света или удаляется от него. Этот простой вывод объяснял появление скорости света в уравнениях Максвелла без привлечения эфира или другой привилегированной системы отсчета. Но из того же вывода следовал ряд и других невероятных открытий. И, прежде всего, изменение представления о времени.
Например, согласно Специальной теории относительности, человек, едущий на поезде, и тот, что стоит на платформе, разойдутся в оценке расстояния, пройденного светом от одного источника. А поскольку скорость — это расстояние, деленное на время, то единственный способ для наблюдателей прийти к общему выводу относительно скорости света — это разойтись также и в оценке времени. Именно так теория относительности навсегда покончила и с идеей абсолютного времени!
Еще один вывод СТО — это неразделимость времени и пространства, которые составляют некую общность, пространство-время.
Развивая идеи СТО в Общей теории относительности, Эйнштейн показал, что гравитация — вовсе не некая притягивающая сила, а следствие того, что пространство-время искривляется массой и энергией, которые находятся в нем.
В этой связи вернемся к разрушенной до основания иллюзии абсолютного времени. Эйнштейн доказал, что около массивных тел, таких, как, например, Земля, должен замедляться и ход времени (если говорить грубо, это происходит из-за искривления пространства, а значит и времени — некоего их «растягивания» вокруг массивного тела). Чем больше масса тела, тем медленнее в его окрестностях будет течь время, и наоборот.
Как известно, на земной орбите время течет быстрее, чем на планете, поэтому космонавты возвращаются домой чуть более молодыми, чем могли бы быть, если бы выбрали другую профессию и всегда находились бы на Земле. Впрочем, такую «моложавость» космонавтов практически невозможно наблюдать. Во-первых, в силу близости земной орбиты к Земле, а во-вторых, из-за краткосрочности пребывания космонавтов на орбите. А вот если бы кому-нибудь из них удалось отправиться в космическое путешествие на корабле, развивающем скорость, близкую к скорости света, и вернуться через год, то он, безусловно, не нашел бы в живых не только никого из своих близких, но и многие поколения своих внуков и правнуков.
Большой взрыв
Вернемся к двум другим ингредиентам, из которых «приготовлена» Вселенная: энергии и пространству. Откуда взялись они? Сегодня ученые отвечают: они появились в результате Большого взрыва. Но что есть Большой взрыв?
Приблизительно 13,7 млрд. лет назад Вселенная была сжата в одну невообразимо малую точку. Об этом свидетельствует не только всем известный эффект красного смещения, но и все решения уравнений Эйнштейна. Когда-то в прошлом расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. Вселенная должна была быть сжата в точку нулевого размера, в сферу с нулевым радиусом. Плотность Вселенной и кривизна пространства-времени в эти славные времена должны были быть бесконечными. Они перестали быть таковыми только при Большом взрыве.
Еще одной бесконечной величиной в эпоху младенчества мироздания должна была быть температура. Считается, что в момент Большого взрыва Вселенная была бесконечно горячей. По мере того, как Вселенная расширялась, понижалась и температура. Отсюда берет истоки то, что мы называем материей. Дело в том, что при таких высоких температурах, какие были во Вселенной на заре времен, не могли образоваться не только атомы, но и субатомные частицы. Но с понижением энергии они стали соединяться друг с другом. Так появилось вещество.
Примерно через 100 секунд после Большого взрыва Вселенная остыла до миллиарда градусов (это температура недр самых горячих звезд). При таких условиях энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для того, чтобы преодолеть сильное ядерное взаимодействие. Они начинают сливаться, образуя ядра дейтерия (тяжелого водорода), состоящие из протона и нейтрона. И только потом ядра дейтерия, присоединяя протоны и нейтроны, могли превратиться в ядра гелия. Остальные элементы рождаются позднее, в ходе термоядерного синтеза внутри водородно-гелиевых звезд.
После всей этой воистину «жаркой» суматохи около миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться, и ничего значительного не происходило. Но когда температура понизилась до нескольких тысяч градусов, кинетическая энергия электронов и ядер стала недостаточной для того, чтобы преодолевать силу электромагнитного притяжения, и они начали объединяться в атомы. Так появилась материя в привычном для нас понимании этого слова.
А как же антиматерия? Что это такое и откуда взялась она? Согласно законам физики, существует отрицательная энергия. Для того, чтобы понять, что это такое, приведем аналогию. Представьте себе, что кто-то хочет возвести большой холм на плоском ландшафте. Холм — это наша Вселенная. Для создания холма этот кто-то выкапывает большую яму. Яма — это и есть «отрицательная версия» холма. То, что было в яме, теперь стало холмом, поэтому баланс полностью сохранен. Такой же принцип лежал в основе «возведения» и нашей Вселенной. Когда в результате Большого взрыва было создано большое количество позитивной энергии — одновременно с этим образовалось такое же количество отрицательной энергии. Но где же она? Ответ: повсюду, в пространстве. «Яма» — и есть наше пространство, а вся материя, к которой мы привыкли, и которую можем наблюдать, то есть то, из чего состоит Вселенная — это «холм».
Квантовая механика
В момент Большого взрыва Вселенная была сжата в невообразимо малую точку. И именно на этом субатомном уровне терпит крах Общая теория относительности, как в свое время потерпели фиаско законы Ньютона, когда их попытались применить в отношении движения света.
На субатомном уровне действуют совершенно иные, по-настоящему фантастические законы, аналогов которым нет в нашей обыденной жизни. Поэтому наука, изучающая эти законы, имеющая дело с явлениями, которые происходят в очень малых масштабах — квантовая механика — столь сложна для понимания. Вселенная в момент Большого взрыва — это место, где действуют законы квантовой механики.
Но, желая сложить все пазлы мироздания, Стивен Хокинг возлагает самые большие свои надежды на создание единой теории функционирования Вселенной — теории квантовой гравитации. Она должна примирить ОТО с квантовой механикой.
Бог играет в кости
Квантовая механика основана на так называемом принципе неопределенности. Он гласит: частицы не обладают по отдельности точно определенными положениями и скоростями. Зато они имеют так называемые квантовые состояния, комбинации характеристик, которые известны лишь в границах, допускаемых принципом неопределенности.
Квантовая механика в один момент перечеркнула все надежды на то, что Вселенную и все процессы в ней можно предсказать. Она внесла в науку самое страшное — случайность. Законы квантовой механики предлагают лишь множество возможных результатов чего-либо, и говорят, насколько вероятен каждый из них. Именно поэтому Эйнштейн до конца своей жизни так и не принял квантовую механику. Свое отношение к ней он выразил знаменитой фразой: «Бог не играет в кости».
Одно из наиболее важных следствий принципа неопределенности — это то, что в некоторых отношениях частицы ведут себя подобно волнам. Они не имеют определенного положения, но «размазаны» по пространству, в соответствии с распределением вероятностей. А еще, в соответствии с законами квантовой механики, у частицы нет какой-либо определенной «истории», то есть траектории движения в пространстве-времени. Вместо этого частица движется в определенных пределах по всем возможным траекториям, то есть находится, как это ни парадоксально, в нескольких местах одновременно.
Понять это можно лишь мозгом, расчетами и уравнениями, чувствами и логикой сделать это практически невозможно. В нашей обыденной жизни чашечка кофе по утрам не появляется просто так. Для того чтобы на нашем столе возник напиток, понадобится взять кофейные зерна, сахар, воду и молоко. Но если заглянуть в чашечку кофе глубже, на субатомный уровень, можно стать свидетелем настоящего колдовства. А все потому, что на этом уровне частицы функционируют по законам квантовой механики. Они внезапно появляются, существуют какое-то время, столь же внезапно исчезают — и появляются снова.
Всё из ничего
Но откуда взялась невообразимо малая точка — наша Вселенная — к моменту Большого взрыва? Оттуда же, откуда и чашечка кофе: из ничего. Подобно исчезающим и появляющимся протонам в кофейном напитке, Вселенная появилась из ничего, и Большой взрыв был вызван… ничем!
Впрочем, уже в следующую секунду после этого события произошло нечто удивительное: началось время. Именно поэтому вернуться назад во времени до Большого взрыва невозможно — его просто не существовало. А значит, не было и причины появления Вселенной, ведь для наличия причинно-следственной связи тоже требуется время. У Бога просто не было времени создать причину появления Вселенной. Для самого Стивена Хокинга все это означает невозможность создания и самого создателя, потому что для этого тоже не было времени.
Кроме этого, в квантовой теории пространство-время может быть конечным по протяженности (начинаться в момент Большого взрыва), но не иметь сингулярностей, формирующих границу или край. Вселенная, таким образом, «замкнута» сама на себе, у нее нет границ, она полностью обособлена и не взаимодействует ни с чем вне себя. А если это так, то, по мнению Хокинга, нет и необходимости выяснять, как ведет себя пространство-время на границе, нет нужды знать начальное состояние Вселенной. Ее, по словам Хокинга, нельзя ни создать, ни разрушить. Она просто есть.
«Пока мы полагали, что Вселенная имеет начало, роль создателя казалась ясной, — пишет Хокинг в книге „Кратчайшая история времени“. — Но если Вселенная действительно полностью автономна, не имеет ни границ, ни краев, ни начала, ни конца, то ответ на вопрос о роли создателя перестает быть очевидным».
Оценили 10 человек
8 кармы