Аманда Гефтер - На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё

• Название: На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё
• Автор: Аманда Гефтер
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-17-087484-2

Вселенная выглядит так, словно ее объем конечен, и время ее существования также конечно. Значит, вопрос о ее возникновении не лишен смысла: может быть, ей предшествовало ничто? Ни пространства, ни времени, ни материи, ни существования? Можно ли себе представить ничто? Такой неожиданный вопрос задал Аманде Гефтер ее отец Уолтер Гефтер, когда ей было всего пятнадцать лет. Так получилось, что этот странный вопрос определил всю ее дальнейшую судьбу. Аманда стала погружаться в пучину современной физики и разбираться в хитросплетениях современной философии. Принято считать, что современная физика делается так далеко за пределами обыденного опыта, что только строгость и мощь используемого ею математического аппарата может обеспечить физику-теоретику подобие путеводной нити в его исследованиях, а философия может ему только помешать. Аманда Гефтер блестяще опровергает оба тезиса: журналистская непосредственность и философская проницательность помогают ей научиться видеть смысл формул, почти не обращая внимания на сами формулы, благодаря этому она добивается признания лучших физиков планеты и разговаривает с ними на равных.

---

– Ладно. Как?

Он пожал плечами:

– Мы проведем небольшое научное исследование.

Итак, мы начали читать. Если нам попадалась книга о физике или космологии, мы совали в нее нос. Мы читали о Большом взрыве, инфляционной модели Вселенной, теории относительности, квантовой теории образования галактик, физике элементарных частиц, термодинамике, дополнительных размерностях пространства, черных дырах, реликтовом излучении. Мы обсуждали все это до поздней ночи, пока мама не начинала кричать, чтобы мы шли спать. Каждый раз, когда мы узнавали что-то новое, у нас возникали сотни новых вопросов, и чтение превратилось в бесконечную охоту. Мы корпели над огромной стопкой книг в лихорадочной попытке узнать, что было известно о том, как образовалась Вселенная, как из ничего родилось нечто. Это стало нашим тайным миром.

Вскоре только для книг по физике нам пришлось отвести в нашем доме отдельную комнату. К счастью, у нас была лишняя – небольшая спальня, в которой я когда-то по неосторожности устроила маленький пожар, играя со свечой, которую мне подарили на день рождения. Мы очистили комнату от пепла, покрасили стены и соорудили полки. Книги размножались в геометрической прогрессии, заполняли полки от пола до потолка и даже покрывали пол.

Отец убедил меня, что до рождения Вселенной было состояние беспредельной, безграничной однородности, лишенности черт, равномерной одинаковости, простирающейся и длящейся до бесконечности. Или, по крайней мере, до тех пор, пока не родилась Вселенная. Что, конечно, не отменяло вопрос на миллион: почему это ничто вдруг изменилось? Как могло нечто, определенное, как вечная одинаковость, в один момент времени стать другим? Почему вообще Вселенная появилась?

Нас сводила с ума одна дилемма. С одной стороны, если предположить, что нечто и ничто суть просто разные состояния одного и того же, то получить что-то из ничего казалось возможным. Но, с другой стороны, состояние совершенной однородности, казалось бы, исключает возможность изменения вообще.

Чем дольше мы рассуждали на эту тему, тем больше меня раздражала формулировка «состояние беспредельной, безграничной однородности». Я пробовала называть его просто «ничто», но грамматическая неоднозначность неизбежно приводила нас к философской вариации вопроса «кто играл на первой базе?»

– Серьезно, – сказала я отцу. – Если мне придется сказать «однородное состояние» еще хоть раз, я убью себя вот этим учебником физики.

– Мы введем аббревиатуру, – предложил отец. – Как насчет просто H-состояние?

Я на мгновение задумалась.

– H-состояние. Я могу ужиться с этим.

Для того чтобы выяснить, почему H-состояние могло измениться, мы должны были узнать, почему ученые-космологи считали, что произошел Большой взрыв. Что за физический процесс мог из ничего в одночасье создать целый мир?

В растущей груде книг мы обнаружили интригующие предположения, но не нашли ответов. Проблема была в том, что космология не начинается с ничто. Мир начинался с чего-то – с расширяющейся Вселенной, наполненной материей и излучением, и если повернуть время вспять, заглянуть на четырнадцать миллиардов лет в прошлое, то мы увидим, как Вселенная сжимается, галактики сближаются друг с другом, пока вся обозримая Вселенная не соберется в одной точке, предположительно точке, из которой в результате Большого взрыва Вселенная родилась, точке бесконечно горячей, бесконечно плотной. Космического семени. Сингулярности.

Соблазнительно представлять себе сингулярность малой по размеру, но, как мы с отцом быстро выяснили, это мнение – ошибка неофита. Сингулярность только кажется маленькой, потому что вы представляете ее в виде точки в пространстве, как будто вы смотрите на нее снаружи. Но сингулярность не имеет «снаружи». Это не точка в пространстве, потому что она и есть само пространство. Она – Вселенная, она – все. Мы находимся в точке. Кроме того, точка не мала – она безразмерна. Я узнала об этом на уроке геометрии, несмотря на все мои протесты. Вы можете также рассматривать точку как бесконечно большую. «Большой взрыв произошел везде, – написала я в своем дневнике. – Даже в пригородах».

Проигрывая космическую эволюцию в обратном направлении, можно видеть, как в сингулярности все превращается в ничто. Ответ на вопрос, почему Н-состояние изменилось, кроется здесь. Он был спрятан хорошо. Расширение Вселенной описывается уравнениями общей теории относительности, теории Эйнштейна о пространстве, времени и гравитации, но сингулярность – это то единственное состояние, в котором эти уравнения не работают. Если общая теория относительности рисует нам карту Вселенной, то сингулярность – это терра инкогнита, место, о котором картографы не знают, как нарисовать его карту. Здесь водятся драконы.

Квантовые драконы, скорее всего. Сингулярность предполагает, что общая теория относительности в конечном счете должна уступить место более фундаментальной теории, и физики уже знают об этом. Теория Эйнштейна несовместима с квантовой механикой, теорией, описывающей явления на крайне малых масштабах. В повседневной жизни физики могут закрыть глаза на эту проблему, сохраняя две теории отдельно друг от друга. С помощью общей теории относительности они описывают то, как массивные тела, такие как планеты и галактики, искажают пространство-время, а с помощью квантовой механики описывают то, как субатомные частицы играют в кости. Но в конце концов это искусственное разделение исчезнет. Пространство-время и материя постоянно разговаривают друг с другом. По выражению Уилера, «материя говорит пространству, как искривляться. Пространство говорит материи, как двигаться».

Сингулярность на космической карте – это не вещь, а смысл: она говорит нам, что пространство-время, по крайней мере, каким мыслил его Эйнштейн, не может быть нижним уровнем реальности. Что-то скрывается за ним, что-то более фундаментальное, что-то такое, из чего возникают пространство и время. Это «что-то» будет раскрыто только в рамках теории, которая объединит общую теорию относительности с квантовой механикой, – теории квантовой гравитации.

«Чтобы понять природу сингулярностей, нужна квантовая гравитация», – записала я в своем дневнике. Чтобы понять ничто. «Забавно, – подумала я. – Нам нужна теория всего, чтобы мы смогли создать теорию ничего».

Вдруг меня осенило, что если сингулярности – это не более чем просто белые пятна на космической карте, то Большой взрыв – это тоже не более чем белое пятно. Теория расширяющейся Вселенной – это важная теория, подкрепленная мощными доказательствами, – но это не вся история.

Итак, мы продолжали читать книги. В конце концов мы наткнулись на некоторые статьи Уилера. Мне сразу понравилась форма изложения, которой он владел. Это было не похоже на любые другие работы по физике, встречавшиеся мне прежде. Это больше напоминало поэзию: интеллектуально смелые и провокационные, полные немного странных, но очень емких фраз. Уилер подчеркивал, что пространство-время не может быть конечным основанием реального мира, потому что при высочайшем пространственном разрешении и в квантовой механике, и в общей теории относительности оно разрушается, его геометрия искажается до тех пор, пока сама не прекратит свое существование. Он предполагал, что невозможно понять, как случился Большой взрыв – как ничто превратилось в нечто – без учета роли наблюдателей. «Можем ли надеяться однажды понять „бытие“ с помощью надлежащего рассмотрения роли „наблюдателя“?» – написал он. Действительно ли архитектура мироздания такова, что только при посредстве «наблюдения» могла возникнуть Вселенная? Эта мысль кажется совершенно необычной, но я знала, что Уилер считался гением, наравне с некоторыми величайшими физиками всех времен. В этом что-то было. Все-таки мы не можем пройти мимо наиболее очевидного вопроса: если для существования всего необходимы наблюдатели, то откуда взялись сами наблюдатели? Поначалу я не хотела принимать эту идею во внимание, но идея была настолько странной, что она не выходила у меня из головы. «Уилер говорит, что у наблюдателей своя роль в Большом взрыве, – записала я в своем блокноте. – Надо выяснить, что, черт возьми, это может значить».

В конце концов идти тусить с друзьями стало казаться менее захватывающим занятием, чем путешествовать сквозь Вселенную с отцом. В те дни, когда я все же выбиралась на вечеринки, я, возвращаясь домой в три часа утра, заставала отца за чтением книг. И тогда мы садились за кухонный стол вдвоем и до рассвета под овсяные батончики говорили о физике.

Я наслаждалась каждой минутой, – и это было удивительно, учитывая, что раньше я никогда не проявляла интереса к науке. В самом деле: задумываясь об этом, я припоминаю только два случая, когда факт существования науки хоть как-то привлекал мое внимание. Первый раз – когда мне было семь лет и кто-то принес мне подборку детских научно-популярных книг. Меня тогда заинтересовала лишь одна из них, о воздухе. Несколько месяцев я не расставалась с ней, очарованная мыслью о том, что на первый взгляд что-то невидимое было на самом деле чем-то сложным и жизненно важным. Второй случай произошел в десятом классе на уроке химии. Наш учитель, господин Макафус, был одним из тех редких школьных учителей, которым удавалось быть крутыми и в то же время увлеченными своим предметом, так что их энтузиазм оказывался выносимым даже для наиболее циничных из его учеников (а именно для меня). В день, когда он рассказывал нам о строении атомов, он вдруг запрыгнул на парту и в коротком танце изобразил динамику электронных энергетических уровней, умеряя скорость своего твиста по мере того, как воображаемые электроны переходили с высоких уровней на более низкие. Но больше всего мне запомнилась та часть урока, когда он рассказывал, что более чем 99 % объема атома – это просто пустое пространство. Не пустота, подобная воздуху, который состоит из атомов, а абсолютная пустота, в которой нет ничего вообще. «Этот стол, – сказал он нам, улыбаясь и постукивая кулаком по дереву, словно чтобы показать нам его прочность, – в основном состоит из ничего». В течение нескольких недель после этого его слова не шли у меня из головы. Я была поражена, что то, что выглядело как нечто, состояло в основном из ничего. Что за нашим миром скрывался другой мир, за видимым – что-то невидимое.