Карло Ровелли - Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Некоторые из них, проходя слишком близко, разрушаются ее страшной гравитацией.

Далее, теория предсказывает, что пространство покрыто рябью подобно поверхности моря и что волны этой ряби подобны электромагнитным волнам, которые сделали возможным телевидение. Эффекты, связанные с этими гравитационными волнами, можно наблюдать в небе на двойных звездах: они испускают такие волны, теряя энергию и медленно падая друг на друга [54]. Гравитационные волны, порожденные двумя падающими друг на друга черными дырами, непосредственно наблюдались с помощью антенны, установленной на земле в конце 2015 года. Об этом объявили в начале 2016 года, и мир вновь был ошеломлен. Еще раз безумное, казалось бы, предсказание теории Эйнштейна оказалось безупречно точным.

И это еще не всё: теория говорит, что Вселенная расширяется и возникла в космическом взрыве 14 миллиардов лет назад – об этом я вскоре расскажу подробнее.

Этот богатый и сложный набор явлений: отклонение лучей света, модификация ньютоновской силы, замедление часов, черные дыры, гравитационные волны, расширение Вселенной, Большой взрыв – вытекает из понимания того, что пространство – это не скучное неподвижное вместилище; оно обладает собственной динамикой и собственной физикой подобно материи и другим полям, которые в нем содержатся. Сам Демокрит непременно обрадовался бы, узнай он, что его идею пространства ждет такое впечатляющее будущее. Да, он называл его несуществующим, но то, что он считал существующим (δέν), было материей; и он писал, что это его «несуществующее», пустота, тем не менее «имеет некоторую природу (ϕύσιν) и самостоятельное бытие» [55]. Насколько же он был прав!

Без понятия поля, введенного Фарадеем, без впечатляющей силы математики, без геометрии Гаусса и Римана эта «некоторая собственная физика» так и оставалась бы непроясненной. Вооружившись новыми концептуальными средствами и математикой, Эйнштейн записал уравнения, которые описывают демокритовскую пустоту, и обнаружил, что ее «некоторая собственная физика» – это красочный и удивительный мир, где вселенные взрываются, пространство коллапсирует в бездонные дыры, время замедляется вблизи планет, а неограниченно расширяющееся межзвездное пространство волнуется и колышется, как поверхность моря…

Всё это звучит как история, рассказанная безумцем, как пустые слова, которые ничего не значат. И всё же это – взгляд на реальность. Или лучше сказать, проблеск реальности, чуть менее смазанный, чем наш мутный и банальный повседневный ее образ. Реальность, которая кажется сделанной из той же ткани, что наши сны [56], но которая, тем не менее, более реальна, чем наши туманные фантазии.

И всё это – результат одной элементарной догадки о том, что пространство-время и гравитационное поле есть одно и то же, и одного простого уравнения, которое я обязан здесь воспроизвести, хотя большинство моих читателей, конечно, не сможет его расшифровать. Тем не менее я делаю это в надежде на то, что читатели смогут уловить отблеск его великолепной простоты:

R ab – 1/2 g ab + Λ g ab = 8π GT ab .

В 1915 году изображение было еще проще, поскольку не было члена +Λ g ab , который Эйнштейн добавил двумя годами позже (и который я объясняю далее) [57]. R ab зависит от римановской кривизны и вместе с 1/2 g ab представляет кривизну пространства-времени; T ab означает энергию материи; G – та же константа, что и у Ньютона: постоянная, определяющая силу гравитационного взаимодействия.

Вот и всё. Идея и уравнение.

Прежде чем продолжить говорить о физике, я хотел бы сделать несколько замечаний о математике. Эйнштейн не был великим математиком. Он сам признавал, что испытывает трудности с математикой. В 1943 году он так ответил на вопрос девятилетней девочки по имени Барбара, которая написала ему о своих трудностях с этим предметом: «Не беспокойся о трудностях, возникающих с математикой, я могу тебя заверить, что мои собственные проблемы [с ней] еще серьезнее!» [58]Это кажется шуткой, но Эйнштейн не шутил. С математикой ему требовалась помощь и разъяснения терпеливых однокурсников и друзей, таких как Марсель Гроссман. Феноменальной была именно его интуиция как физика.

В тот год, когда Эйнштейн завершал создание своей теории, он обнаружил, что соперничает с Давидом Гильбертом, одним из величайших математиков всех времен. По приглашению Гильберта Эйнштейн прочел лекцию в Гёттингене. Гильберт мгновенно понял, что Эйнштейн находится на пороге большого открытия, ухватил основную идею и попытался обойти Эйнштейна, чтобы первым записать правильные уравнения новой теории, над которой Эйнштейн работал достаточно медленно. Финишный рывок двух гигантов мысли был захватывающим состязанием, и на завершающей стадии счет шел буквально на дни. Эйнштейн в этот период выступал с публичными лекциями в Берлине почти каждую неделю и каждый раз представлял новое уравнение, волнуясь, как бы Гильберт не получил решение раньше. Но каждый раз уравнение оказывалось неверным. Пока, наконец, Эйнштейн не нашел правильное уравнение, лишь чисто символически опередив Гильберта. Но все же именно он выиграл эту гонку.

Гильберт как джентльмен никогда не ставил под вопрос победу Эйнштейна, хотя сам работал тогда над очень похожими уравнениями. Ему принадлежит мягкое и красивое высказывание, которое очень точно характеризует сложные отношение Эйнштейна с математикой и, возможно, сложные отношения между физикой и математикой в целом. Необходимым для построения теории относительности разделом математики была геометрия четырехмерного пространства, и Гильберт писал:

Любой подросток на улицах Гёттингена [59]понимает геометрию четырехмерного пространства лучше Эйнштейна. Но именно Эйнштейн смог решить задачу.

Почему? Потому что Эйнштейн обладал уникальной способностью представлять себе, как устроен мир, «видеть» его мысленным взором. Уравнения приходили к нему позже; они были языком, с помощью которого он переносил свои образы в реальность. Для Эйнштейна общая теория относительности не набор уравнений, это мысленный образ мира, с большим трудом переведенный на язык уравнений.

Главная идея теории состоит в том, что пространство-время искривляется. Если бы пространство-время имело только два измерения и мы жили бы на некоем подобии плоскости, то было бы нетрудно представить себе, что означают слова «физическое пространство искривляется». Это означало бы, что физическое пространство, в котором мы живем, не такое, как плоский стол, а напоминает поверхность с горами и долинами. Но мир, в котором мы обитаем, имеет не два измерения, а три. На самом деле даже четыре, если учитывать время. Представить себе искривленное пространство в четырех измерениях намного труднее, поскольку наше обыденное восприятие не создает у нас интуитивного ощущения объемлющего пространства, внутри которого искривляется пространство-время. Однако воображение Эйнштейна не испытывало трудности с интуитивным восприятием космического моллюска, в тело которого все мы погружены и который может сжиматься, растягиваться и перекручиваться, порождая пространство вокруг нас. Именно благодаря ясности этого образа Эйнштейн смог первым сформулировать свою теорию.