Карло Ровелли - Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Нетрудно понять, почему эта теория столь красива. Вместо простого изобретения математической формы для гравитационного поля и поиска искусственных уравнений для него Эйнштейн обращается к другому нерешенному вопросу, лежащему в самой глубине ньютоновской теории, и объединяет две проблемы.

Ньютон вернулся к демокритовской идее, согласно которой тела движутся в пространстве . Это пространство должно быть большим пустым вместилищем, «жесткой коробкой» для Вселенной, колоссальной сценой, на которой объекты движутся по прямым линиям, пока силы не вынудят их отклониться. Но из чего состоит само это пространство, которое содержит мир? Что есть пространство?

Идея пространства кажется нам естественной, но исключительно благодаря знакомству с ньютоновской физикой. Если задуматься, то пустое пространство не является частью нашего опыта. От Аристотеля до Декарта, то есть на протяжении двух тысячелетий, демокритовская идея пространства как особой сущности, отличной от вещей, вовсе не казалась разумной. И для Аристотеля, и для Декарта вещи имеют протяженность: протяженность – это свойство вещей, но протяженность не существует без чего-то протяженного. Я могу вылить воду из стакана, но тогда его заполнит воздух. Доводилось ли вам видеть по-настоящему пустой стакан?

Если между двумя вещами находится ничто , значит, заключает Аристотель, там нет ничего. Каким образом там может быть одновременно и нечто (пространство), и ничто? Что есть пустое пространство, внутри которого движутся частицы? Это нечто или ничто? Если это ничто, то оно не существует, и мы можем без него обойтись. Если это нечто, то может ли быть так, что его единственное свойство – ничего не делать ?

С античных времен идея пустого пространства, находящегося на полпути между вещью и невещью, беспокоила философов. Сам Демокрит, сделавший пустое пространство основой своего мира, где движутся атомы, тоже, конечно, был далек от полной ясности по этому вопросу. Он писал, что пустое пространство – это нечто «между бытием и небытием»: «Демокрит… считал первоначалами полное и пустое, называя одно “существующим”, а другое “несуществующим”», – пишет Симпликий [52]. Атомы – это существующее. Пространство – «несуществующее», которое, тем не менее, существует. Трудно высказаться более неопределенно.

Ньютон, реанимировавший демокритовскую идею пространства, пытался исправить положение, утверждая, что пространство – это сенсориум Бога. Никто никогда не понимал, что подразумевал Ньютон под «сенсориумом Бога», – возможно, и сам Ньютон тоже. И конечно, Эйнштейн, считавший идею Бога (с сенсориумом или без него) полезной лишь в качестве шутливого риторического приема, находил ньютоновское объяснение природы пространства крайне неубедительным.

Ньютон прикладывал значительные усилия к тому, чтобы преодолеть сопротивление ученых и философов реанимируемой им демокритовской концепции пространства, но поначалу никто не хотел воспринимать его всерьез. Лишь поразительная эффективность его уравнений, с помощью которых, как оказалось, всегда можно делать корректные предсказания, положила конец глухому недовольству. Тем не менее сомнения в правдоподобности ньютоновского представления о пространстве остались, и Эйнштейн, который читал труды философов, хорошо об этом знал. Концептуальные трудности ньютоновской идеи пространства подчеркивал Эрнст Мах, философ, влияние которого Эйнштейн открыто признавал, – тот самый Мах, который не верил в существование атомов. (Между прочим, это хороший пример того, как один и тот же человек может проявлять близорукость в одном отношении и прозорливость в другом.)

Таким образом, Эйнштейн взялся не за одну, а сразу за две проблемы. Первая: как описывать гравитационное поле? Вторая: что такое ньютоновское пространство?

И тут Эйнштейну пришла в голову гениальная идея – это был один из величайших взлетов мысли в истории: а что, если гравитационное поле в действительности и есть загадочное ньютоновское пространство? Что, если ньютоновское пространство не что иное, как гравитационное поле? Эта чрезвычайно простая, красивая, блестящая идея и составляет суть общей теории относительности.

Состав мира – это не пространство + частицы + электромагнитное поле + гравитационное поле. Состав мира – это просто частицы + поля и ничего больше; нет необходимости добавлять пространство в качестве отдельного ингредиента. Ньютоновское пространство – это гравитационное поле. Или наоборот (что не меняет смысла): гравитационное поле – это пространство (рис. 3.5).

Рис. 3.5.Из чего состоит мир?

Но в отличие от ньютоновского пространства, плоского и неподвижного, гравитационное поле, в силу того что оно является полем, есть нечто движущееся и колеблющееся в соответствии со своими уравнениями подобно максвелловскому полю и фарадеевым линиям.

Картина мира радикально упрощается. Пространство больше не отличается от материи. Это одна из материальных составляющих мира подобно электромагнитному полю. Это реальная сущность, которая колеблется, флуктуирует, гнется и мнется.

Рис. 3.6.Земля обращается вокруг Солнца, потому что пространство-время вокруг Солнца искривлено, она подобна горошине, которая кружится в воронке

Мы больше не привязаны к невидимым жестким подмосткам – мы погружены в тело гигантского гибкого моллюска (метафора Эйнштейна). Солнце искривляет пространство вокруг себя, а Земля не обращается вокруг него под влиянием таинственной действующей на расстоянии силы, а движется прямо по покатому пространству. Она подобна горошине, которая кружится в воронке: нет никакой загадочный силы, создаваемой центром воронки, просто кривизна стенок заставляет горошину двигаться по окружности. Планеты обращаются вокруг Солнца, а вещи падают, поскольку пространство вокруг них искривлено (рис. 3.6).

Если быть немного точнее, то искривляется не пространство, а пространство-время – то самое пространство-время, которое, как десятью годами ранее показал сам Эйнштейн, представляет собой единую структуру, а не последовательность мгновений.

Такова идея. Единственной задачей Эйнштейна было найти уравнения, которые придадут ей прочность. Как описать это искривляющееся пространство-время? И здесь Эйнштейну повезло: проблема уже была решена математиками.

Величайший математик XIX столетия Карл Фридрих Гаусс, которого называли королем математиков, разработал метод математического описания искривленных поверхностей – холмистых ландшафтов вроде тех, что изображены на рис. 3.7.