Коллектив авторов - Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной [litres]

Все это звучит весьма экстравагантно, тем не менее гипотеза об идентичности физической и математической реальностей прошла проверку временем. Если реальность в основе своей не является математикой, то что же это такое? Может быть, в один прекрасный день мы столкнемся с представителями инопланетной цивилизации и поделимся с ними нашими знаниями о Вселенной, размышляет Грин. Они скажут: «А, математика! Мы это уже проходили. Она только уводит в сторону. А теперь поговорим о серьезном».

Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института, рассуждает о том, почему физике сейчас улыбается фортуна и какой следующий большой прорыв ожидает нас.

Вам нравится популярность, которой достигла современная физика на волне открытий бозона Хиггса и гравитационных волн?

Физика была царицей наук в двадцатом столетии, потому что за последние сто лет она привела к появлению квантовой механики, атомной бомбы и самых разнообразных технологий. Мы, физики, обладали большим политическим влиянием и интеллектуальным весом. Сейчас биологи начинают постепенно опережать нас. Биология развивается чрезвычайно быстро и имеет более непосредственное влияние на нашу жизнь. Но успехи биологии, например генная инженерия, могут оказаться палкой о двух концах. В каком-то смысле физика оказывается в более приоритетном положении: открытия, которые мы делаем сейчас, не переходят сразу же в область технологии или в нашу повседневную жизнь. Никто не стремится найти практическое применение бозонам Хиггса или гравитационным волнам, просто все считают их грандиозными открытиями.

Эти крупные достижения физики явились следствием доказательства математических теорем. Стоит ли нам и дальше опираться на математику в наших исследованиях?

Не только математика помогает нам постигать природу; очень важны также методы научной работы. Самое главное, что все это демонстрирует возможность познания окружающего мира. Ведь до сих пор продолжается тихое противостояние между теми, кто считает природу полнейшей загадкой, и теми, кто полагает, что она доступна для понимания. Эти открытия напоминают нам о том, что наш хрупкий маленький мозг способен делать удивительные предсказания о далеких и труднодоступных аспектах окружающего мира.

Какие открытия могут быть сделаны в ближайшее десятилетие?

Это невозможно предсказать. Мы можем найти доказательство космической инфляции в ранней Вселенной, открыть темную материю и найти какую-нибудь частицу, которая не вписывается в стандартную физическую модель. Все это может произойти в ближайшие два года.

Сто лет прошло между появлением теории гравитационных волн и их открытием. Быть может, современным передовым идеям потребуется еще больше времени, чтобы воплотиться в жизнь?

Именно так. Слишком малая часть человеческого интеллектуального потенциала направлена на решение этих больших и амбициозных вопросов, и людям, которые посвятили себя исследованию этих проблем, следует предоставить право самим решать, сколько времени им для этого потребуется. Открытие гравитационных волн в совместном проекте LIGO очень впечатляет не только по числу людей, которые принимали в нем участие, но и по количеству затраченных на него лет.

Серьезно ученые начали заниматься проблемой обнаружения гравитационных волн в 1980-е годы. Еще до начала строительства первой гравитационно-волновой обсерватории они понимали, что она может оказаться недостаточно чувствительной, чтобы что-нибудь обнаружить. Так и произошло. Я бесконечно уважаю тех людей, которые предвидели эту ситуацию, но не отказались от своих попыток и посвятили свою жизнь осуществлению своей идеи.

Вы надеетесь, что ваша работа вдохновит следующего Эйнштейна?

Не хочу говорить о следующем Эйнштейне: большинство теоретических разработок в наше время выполняют целые коллективы ученых.

Эйнштейн однажды написал: «самая непостижимая вещь во Вселенной – это то, что она постижима». Не в последнюю очередь благодаря Эйнштейну за последние сто лет мы шли вперед семимильными шагами. В основе теории относительности Эйнштейна лежат несколько базовых принципов, но они порождают другие, пока нерешенные проблемы. Для завершения всей картины понадобятся новые решения. Далее – общий обзор таких возможных решений.

Ничто не может превысить эту космическую предельную скорость.

В 1860-е годы Джеймс Клерк Максвелл объединил электричество и магнетизм в единую теорию. Но как бы он ни преобразовывал уравнения, они имели смысл только при том условии, что свет распространяется в пространстве с одной и той же постоянной скоростью, независимо от скорости источника света.

Это выглядело странным. Действительно, если стрелять на ходу из автомобиля, то стороннему наблюдателю будет казаться, что пуля летит с суммарной скоростью пули и автомобиля. Но когда 20 лет спустя американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли занялись поисками светоносного эфира – среды, предположительно переносящей свет, – они пришли к такому же выводу: как бы ни смотреть на свет, скорость его остается постоянной.

Скорость света также является и предельной космической скоростью. Ничто – ни вещество, ни информация, ни гравитация, и никакое другое воздействие – не могут распространяться быстрее света. Сообщения о нарушителях космических правил дорожного движения, таких как «сверхсветовые нейтрино», появившиеся в 2011 году, в конечном итоге не подтвердились. Эйнштейн провозгласил, что постоянство скорости света – основополагающий принцип природы, и начал перестраивать физику в соответствии с этим принципом, сделав его отправной точкой в своих двух теориях относительности.

Гравитация и ускорение суть одно и то же.

В XVI столетии Галилей заметил, что тела при падении обладают одинаковым ускорением независимо от их массы. И перо, и молоток, сброшенные с Пизанской башни, упадут на землю в одно и то же время, если отбросить сопротивление воздуха. Этот принцип был подтвержден астронавтом Дэвидом Скоттом на Луне, где нет атмосферы, во время экспедиции «Аполлон-15».

Ньютон показал, что это может быть справедливо только при соблюдении одного странного совпадения: инертная масса, которая определяет количественную меру сопротивления тела ускорению, всегда должна быть равна гравитационной массе, которая определяет количественную меру реакции тела на действие гравитации. Нет очевидной причины, почему это должно быть именно так, хотя ни один эксперимент еще этого не опроверг. Так же, как в случае с постоянной скоростью света, именно Эйнштейн провозгласил эквивалентность масс основополагающим принципом природы.