Карло Ровелли - Семь этюдов по физике

И такой космос, каким описал его Аристотель в своем трактате «О небе», – картина мира, которая оставалась характерной для средиземноморских цивилизаций вплоть до конца Средних веков. Такое представление о мире давали в школе Данте и Шекспиру.

Следующий прорыв осуществил Коперник, совершив, как это стали называть, великую научную революцию. Его мир не так уж сильно отличался от аристотелевского:

Однако на самом деле существенное различие есть. Подхватив идею, уже обдумывавшуюся в античности, Коперник понял и показал, что наша Земля не в центре хоровода планет и что вместо нее там Солнце. Наша планета становится одной среди прочих, обращающихся с высокой скоростью вокруг своей оси и вокруг Солнца.

Приращение нашего знания продолжалось, и благодаря улучшенным приборам вскоре стало понятно, что сама Солнечная система – лишь одна среди огромного числа других и что Солнце – не более чем звезда, как и все другие. Мельчайшая частичка в грандиозном облаке из ста миллиардов звезд – нашей Галактике:

Однако в 1930-х годах точные астрономические измерения туманностей, небольших белесоватых облаков между звездами, показали, что наша Галактика сама – пылинка в громадном облаке галактик, простирающемся настолько далеко, насколько хватает взгляда, даже с использованием мощнейших телескопов. Мир теперь стал единообразным и безграничным простором.

Иллюстрация ниже – не рисунок. Это снимок, сделанный телескопом «Хаббл» на орбите, показывающий более глубокое изображение неба, чем удавалось увидеть когда-либо ранее с помощью самых зорких из наших телескопов: для невооруженного глаза все будет выглядеть ничтожным кусочком кромешно черного неба. При наблюдении через телескоп «Хаббл» безмерно удаленные точки размываются. Каждая черная точка на изображении – галактика, состоящая из сотни миллиардов солнц, похожих на наше. В последние несколько лет удалось увидеть, что вокруг большинства из этих солнц вращаются планеты. Таким образом, во Вселенной существуют тысячи миллиардов миллиардов миллиардов планет вроде Земли. И в каком бы направлении мы ни посмотрели, мы увидим это:

Однако это бесконечное единообразие, в свою очередь, – не то, чем кажется. Как я объяснял в первой главе, пространство не плоское, а искривленное. Мы вынуждены представлять себе текстуру Вселенной, с ее всплесками галактик, покачивающейся в волнах, сходных с морскими, – иногда настолько сильно искривленную, что возникают провалы – черные дыры. Поэтому давайте вернемся к рисункам, чтобы изобразить эту вселенную, изборожденную огромными волнами:

И наконец, сегодня мы знаем, что этот бескрайний гибкий космос, испещренный галактиками и развивавшийся пятнадцать миллиардов лет, возник из невообразимо горячего и плотного облачка. Чтобы изобразить это, нам теперь нужно нарисовать не Вселенную, а всю ее историю. Вот она, схематически:

Вселенная началась с маленького шарика, а затем взорвалась до своих сегодняшних космических размеров. Это наше современное видение Вселенной, самое крупномасштабное из всех, что мы знаем.

Есть ли что-то еще? Было ли еще раньше что-то? Возможно, да. Мы поговорим об этом через несколько глав. Существуют ли другие похожие вселенные – или непохожие? Мы не знаем.

Во вселенной, описанной в предыдущей главе, свет и физические объекты движутся. Свет состоит из фотонов, частиц света, постигнутых Эйнштейном. Объекты, которые мы видим, состоят из атомов. Каждый атом содержит ядро, окруженное электронами. Каждое ядро составляют плотно упакованные протоны и нейтроны. И протоны, и нейтроны состоят из еще меньших частиц, которые американский физик Мюррей Гелл-Манн назвал «кварками», вдохновившись загадочным словом из бессмысленной фразы произведения Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мастера Марка!» [3] Перевод Д. Смирнова-Садовского. Стало быть, все, чего бы мы ни коснулись, состоит из электронов и из этих кварков.

Сила, «склеивающая» кварки внутри протонов и нейтронов, создается частицами, которые физики (довольно предсказуемым образом) называют «глюонами». [4] От англ. glue – «клей».

Электроны, кварки, глюоны и фотоны – компоненты всего, что покачивается в пространстве вокруг нас. Они и есть те «элементарные частицы», которые изучаются в соответствующем разделе физики. К ним добавляются еще несколько других частиц, например нейтрино, роящиеся во Вселенной, но мало взаимодействующие с нами, и бозоны Хиггса, недавно зарегистрированные в Женеве в Большом адронном коллайдере ЦЕРНа. Но элементарных частиц на самом деле не так уж много, меньше десяти типов. Пригоршня простейших ингредиентов, которые играют роль деталек в гигантском конструкторе лего, выстраивая всю окружающую нас материальную реальность.

Природа этих частиц и то, как они движутся, описывается квантовой механикой. Эти частицы реальны не как мелкие камушки, а скорее как «кванты» соответствующих полей, равно как фотоны – «кванты» электромагнитного поля. Они элементарные возмущения подвижного субстрата, похожего на поле Фарадея и Максвелла. Крошечные подвижные волны. Они исчезают и появляются вновь согласно причудливым законам квантовой механики, где все существующее никогда не стабильно и есть не более чем скачок от одного взаимодействия к другому.

Даже если мы будем наблюдать за небольшой пустой областью пространства, в которой нет атомов, мы все же детектируем мельчайшее копошение этих частиц. Не существует такого понятия, как настоящая пустота, где нет совершенно ничего. Как спокойнейшее море, если внимательно приглядеться, колышется и дрожит, пусть и слегка, так и поля, формирующие мир, подвергаются мельчайшим колебаниям, и элементарные частицы можно представить себе словно бы имеющими скоротечную жизнь – они будто бы непрерывно созидаются и разрушаются этими движениями.