Читать книгу "Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - Митио Каку"

У специальной теории относительности был образ 16-летнего подростка, несущегося в пространстве наперегонки со световым лучом. У общей теории относительности – образ человека в кресле, отклонившегося назад и находящегося на грани падения, или тяжелых шариков, катающихся по упругой поверхности. Однако с единой теорией поля никакой картины не возникало. Эйнштейн был знаменит своим высказыванием: «Господь Бог коварен, но не злонамерен». После нескольких десятилетий работы над проблемой обобщения он признался однажды своему помощнику Валентину Баргману: «Я начинаю сомневаться. Может быть, Бог все же злонамерен».

Поиск единой теории поля считался сложнейшей задачей физики, но он же, несомненно, был самой эффектной задачей и, как огонь – мотыльков, привлекал множество физиков. Так, один из наиболее серьезных критиков Эйнштейна и единой теории поля Вольфганг Паули сам в какой-то момент заразился этой идеей. В конце 1950-х гг. и Гейзенберг, и Паули демонстрировали все больший интерес к одному из вариантов единой теории поля; они утверждали, что в его рамках можно решить те проблемы, которые на протяжении 30 лет ставили Эйнштейна в тупик. Более того, Абрахам Пейс пишет: «С 1954 г. до конца жизни Гейзенберг (умерший в 1976 г.) был погружен в попытки вывести всю физику элементарных частиц из фундаментального нелинейного волнового уравнения». В 1958 г. Паули побывал в Колумбийском университете и провел презентацию единой теории поля по версии Гейзенберга – Паули. Можно не пояснять, что аудитория восприняла его выступление весьма скептически. В конце концов присутствовавший там Нильс Бор поднялся и сказал: «Мы здесь, на задних рядах, убеждены, что ваша теория безумна. Но мы никак не можем договориться между собой, насколько она безумна».

Физик Джереми Бернстайн, также присутствовавший в зале, заметил: «Это было страшное столкновение двух гигантов современной физики. Я гадал, как все это должно было выглядеть в глазах случайного посетителя-нефизика». Со временем Паули разочаровался в этой теории и пришел к убеждению, что в ней слишком много недочетов. Когда же его соавтор начал настаивать на продолжении работы, Паули написал Гейзенбергу и приложил к письму чистый лист бумаги; он писал, что если его теория на самом деле является единой теорией поля, то этот чистый лист бумаги – произведение Тициана.

Тем не менее, хотя работа в области единой теории поля продвигалась медленно и мучительно, вокруг было много других интересных и прогрессивных тем, которые не давали Эйнштейну скучать. Самой, может быть, загадочной из них была машина времени.

Для Ньютона время было подобно стреле. Сорвавшись однажды с тетивы, она безошибочно летела вперед по прямой, никогда никуда не отклоняясь. Одна секунда на Земле в точности соответствовала одной секунде в космосе. Время было абсолютно и шло во всей Вселенной одинаково, с одной и той же скоростью. События могли происходить одновременно в любых уголках Вселенной. Эйнштейн же ввел концепцию относительного времени, согласно которой одна секунда на Земле не равнялась одной секунде на Луне. Время у него было подобно большой реке, несущей свои воды между планет и звезд и замедляющей течение рядом с небесными телами. Математик Курт Гёдель поднял вопрос «Могут ли в реке времени быть водовороты и может ли она менять направление течения? Или разделиться на два рукава, создав при этом параллельную вселенную?». Эйнштейн вынужден был рассмотреть этот вопрос в 1949 г., когда Гёдель, коллега Эйнштейна по институту и величайший, возможно, математик и логик столетия, показал, что эйнштейновы уравнения допускают путешествия во времени. Гёдель начал с модели вселенной, заполненной газом и вращающейся. Оказалось, что если стартовать на ракете и облететь всю вселенную, то можно прибыть на Землю еще до отправления! Иными словами, в гёделевой вселенной путешествия во времени были бы естественным явлением, где облет всей вселенной автоматически означал бы путешествие назад во времени.

Это потрясло Эйнштейна. До того момента те, кто пытался решить его уравнения, получали результаты, соответствующие наблюдениям. Перигелий Меркурия, красное смещение, искривление пути звездного света, гравитация звезды и т. п. – все это прекрасно соответствовало экспериментальным данным. А теперь его уравнения вдруг начали выдавать решения, противоречащие всем нашим представлениям о времени. Если бы путешествия во времени были возможны, сама история как таковая оказалась бы невозможна. Прошлое, как зыбучий песок, менялось бы всякий раз, когда кто-то входил бы в свою машину времени. Хуже того, при возникновении временно́го парадокса могла бы погибнуть сама Вселенная. Что если вернуться назад во времени и застрелить своих родителей до своего рождения? Как вы смогли бы родиться, если бы убили своих родителей?

Машина времени нарушает закон причинности – заветный принцип физики. Квантовая теория не нравилась Эйнштейну именно потому, что заменяла причинность вероятностью. А теперь Гёдель норовил полностью уничтожить причинность! После долгих размышлений Эйнштейн отверг решение Гёделя по формальным основаниям, указав, что оно не соответствует наблюдаемым данным: наша Вселенная расширяется, а не вращается, так что путешествия во времени, по крайней мере пока, можно не рассматривать. Но все же оставалась надежда на то, что если Вселенная все-таки вращается, а не расширяется, то путешествия во времени не будут являться чем-то экстраординарным. Однако должно было пройти еще пять десятков лет, чтобы концепция путешествий во времени возродилась и образовала новую крупную область исследований.

В космологии 1940-е гг. выдались бурными. Джордж Гамов, служивший во время войны связующим звеном между Эйнштейном и ВМС США, интересовался не столько разработкой новых взрывчатых веществ, сколько информацией о самом-самом большом взрыве в истории Вселенной – Большом взрыве. Гамов задавался вопросами, которым суждено было перевернуть всю космологию с ног на голову. Он довел теорию Большого взрыва до логического завершения, остроумно рассудив, что если Вселенная в самом деле родилась в огне яростного взрыва, то остаточное тепло этого изначального огня можно зарегистрировать и сегодня. От Большого взрыва должно было остаться «эхо творения». Гамов воспользовался работами Больцмана и Планка, показавших, что цвет горячего объекта должен быть связан с его температурой, поскольку то и другое представляют собой различные виды энергии. К примеру, если объект раскален докрасна, это означает, что его температура приблизительно равна 3000 °C. Если объект раскален до желтого цвета (как наше Солнце), его температура близка к 6000 °C (именно такова температура на поверхности Солнца). Точно так же если наши тела теплые, то мы можем рассчитать их «цвет», соответствующий инфракрасному излучению. (Армейские приборы ночного видения эффективны именно потому, что различают инфракрасное излучение наших теплых тел.) Утверждая, что Большой взрыв произошел несколько миллиардов лет назад, два члена группы Гамова – Роберт Херман и Ральф Альфер вычислили еще в 1948 г., что остаточное свечение Большого взрыва должно соответствовать температуре на 5 градусов выше абсолютного нуля, что необычайно близко к реальной величине. Такая температура соответствует микроволновому излучению. (Это микроволновое излучение, обнаруженное несколько десятилетий спустя и соответствующее, по наблюдательным данным, 2,7 K, в свое время полностью перевернет космологические представления ученых.)