Пол Халперн - Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность

Позже он написал матери, что почувствовал гордость, когда закончилась лекция, прошедшая «достойно и гладко» 15, и что ожидает в будущем еще не раз выполнить подобную задачу. Под крылом Уилера, а позже и самостоятельно Фейнман вырос в отличного наставника, способного объяснить что угодно.

Одной из фирменных черт Уилера как лектора – а он, само собой, повлиял на ученика – было разумное использование диаграмм. Берясь за какую-либо идею, он почти всегда начинал с того, что делал набросок, размещая на доске всех игроков, а затем и взаимодействия между ними, словно продумывал стратегию к футбольному матчу. Как он говорил позже: «Совершенно не представляю, как это – думать без картинок» 16.

Оба физика рассматривали преподавание некоторой темы как лучший способ разобраться в ней самому. Казалось бы, парадоксально, ведь как можно объяснять что-то, если ты не являешься экспертом в этой области? И в самом деле, если говорить о таких сравнительно статичных предметах, как латынь или древнегреческий язык, то их нужно освоить в достаточной степени, прежде чем учить других. Но здание физики постоянно перестраивается, оно базируется на принципах, которые можно интерпретировать множеством способов. Даже базовые концепции, о которых обычно рассказывают в начале обучения, такие как сила или инерция, имеют свои нюансы.

Инерция – это свойство тела оставаться в покое или продолжать двигаться в том же направлении, если нет посторонних воздействий. Именно из-за нее шар для боулинга, катящийся по ровной поверхности, движется по прямой линии, пока не врежется в кегли.

Что странно, вовсе не сила, а скорее недостаток силы вынуждает шар поражать цель. Интуитивно мы думаем, что это делает как раз сила, но реальность говорит нам об обратном.

Попытки объяснить студентам подобные противоречия – интеллектуальный вызов, который заставляет разум взглянуть на разные аспекты физического мира с необычной стороны. Поэтому, толкуя простые вроде бы вещи, ты можешь открыть новые взаимодействия и пролить свет на фундаментальные законы природы.

Например, планирование курса механики побудило Уилера и Фейнмана обсудить принцип Маха – идею того, что причиной существования инерции неким образом служат отдаленные звезды. В отличие от Ньютона, в чьей системе физики инерция изучалась в терминах абстракций, именуемых «абсолютное пространство» (фиксированные измерительные линейки) и «абсолютное время» (умозрительные часы, постоянно тикающие где-то в стороне), физик Эрнст Мах предположил, что инерция может иметь физическую причину.

Он высказал гипотезу, что комбинированное тяготение удаленных космических тел побуждает объект либо оставаться в покое, либо двигаться в одном направлении с постоянной скоростью.

Как отлично знал Уилер, общая теория относительности Эйнштейна – набор изящных уравнений, описывающих гравитацию – это попытка воплотить принцип Маха и отбросить ненаучный взгляд Ньютона с его абсолютными координатами, в которых измеряется инерция. Ньютон представлял расстояния в пространстве и временные отрезки как постоянные от точки к точке или от момента к моменту, чем-то вроде координатных осей, используемых в математике.

Ничто из физического мира не в силах повлиять на эти инертные линейки.

И резким контрастом с этими абсолютными, из божественной стали измерительными приборами выглядит общая теория относительности с ее искривленным, скрученным пространством-временем. Если попытаться нарисовать его, то получится нечто вроде тяжелого гнезда на тонкой ветке.

Эйнштейн не только отменил понятия абсолютного пространства и времени, еще он, используя геометрию, чтобы объяснить загадки гравитации, уничтожил и другую головоломку из ньютонианской физики, а именно «действие на расстоянии»: силы, такие как гравитация, действуют мгновенно на любой дистанции. Для любой пары массивных объектов Ньютон представлял воображаемую «нить», связывающую их вместе, чтобы гравитационное взаимодействие могло иметь место.

Ничто реально существующее в космосе не могло служить таким посредником.

В подходе Ньютона мгновенно распространяющаяся сила тяготения движет планеты по их орбитам вокруг Солнца, и если последнее внезапно исчезнет, «струны» пропадут, и планеты немедленно двинутся далее по прямым линиям, следуя каждая собственной инерции. Это изменение их траекторий произойдет еще до того, как последний луч света коснется планет, ведь свету требуется время для перемещения.

Эйнштейн думал, что подобное мгновенное действие на большом расстоянии выглядит чем-то ненаучным вроде телепатии. И он строил общую теорию относительности, исходя из принципа, что смятая ткань пространства-времени служит передатчиком.

Присутствие массивного солнца, искривляющего пространство-время в центре системы, создает гравитационный колодец – нечто вроде водоворота около ноги, который возникает в ванне, если вступить в нее.

Это возмущение распространяется от источника, оказывая влияние на движение других объектов, и в ванне это значит, что резиновые уточки, кораблики и другие плавающие игрушки закачаются на волнах. В звездной же системе гравитационное влияние солнца распространяется через пространство-время во все стороны со скоростью света, формируя дуги, вынуждающие планеты перемещаться по круговым орбитам.

Планеты пытаются двигаться по прямым линиям, но изгибы пространства-времени им мешают.

Завершив общую теорию относительности в 1915 году, Эйнштейн попытался использовать ее для того, чтобы создать модель статической вселенной. Австрийский ученый верил в железобетонный детерминизм и вечные космические законы, он надеялся, что хотя большие массы могут вызывать локальные пертурбации, космос в целом остается одним и тем же с течением времени.

Другими словами, пусть даже звезды могут двигаться по небу, их совместное поведение, если брать в целом, делает вселенную столь же неизменной, как гранитная плита. Постоянство не может быть предопределено, как в конструкции Ньютона, но является натуральным физическим последствием теории.

Но к большому разочарованию Эйнштейна уравнения, которые он использовал, говорили совершенно об ином. Они рисовали вселенную, что либо расширяется, либо сужается по мере того, как идет время. В физике решение того или иного уравнения – это математическое описание, которое является корректным, подходит к задаче словно ключ к замку.

Эйнштейн попытался найти такой ключ для статичной вселенной, но мог добиться цели, только исказив первоначальную систему уравнений – вроде как позвал слесаря и попросил поправить замок так, чтобы тот подошел к старому, хорошо знакомому ключу. Дополнение, которое сделал австрийский физик, получило название «космологической постоянной», поправочный коэффициент, специально включенный в расчеты, чтобы противостоять непредвиденным дестабилизирующим эффектам гравитации.