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.

---

Уже то, что у природы есть предел для масштаба длин, довольно трудно понять. У меня в голове не укладывается, как это возможно – взять крошечный кусочек пространства и увеличивать его, увеличивать, все глубже и глубже всматриваясь в него, и достичь наконец глубин, дальше отстоящих от меня, чем вся видимая часть Вселенной, и все это прямо здесь, на кончике пальца. Другая вселенная, намного большая нашей Вселенной, умещается у меня на ладони! Только так не может продолжаться вечно. На масштабе одной миллионной миллиардной миллиардной миллиардной сантиметра вы постучитесь в дно реальности. Извините, друзья, вы дошли до конца – до края Вселенной.

Пространство заканчивается на так называемом планковском масштабе, потому что здесь квантовая механика и общая теория относительности объединенными усилиями искривляют пространство-время до того, что оно рвется. Высокая плотность гравитационных сил производит море черных дыр, которые Уилер назвал «пространственно-временной пеной».

Это, на первый взгляд, противоречит интуиции: обычно, когда вы имеете дело с маленькими объектами, силы гравитации пренебрежимо малы. Сила тяжести действует на массу, и вам нужна довольно большая масса, прежде чем вы заметите притяжение. Даже на человеческом масштабе силы тяготения не очень значительны. Магнит на холодильнике, прижимая лист бумаги, перевешивает притяжение всей планеты. А для протонов и электронов сила тяжести вообще едва ли существует.

Но при дальнейшем погружении вглубь материи положение вещей, как ни странно, начинает коренным образом меняться. Законы квантовой механики содержат лазейку, позволяющую крупным флуктуациям энергии возникать прямо из вакуума, при условии, что они живут не слишком долго. На более коротких временных масштабах энергия мерцает, то возникая, то исчезая в виде флуктуаций или виртуальных частиц. Чем более локализована частица в пространстве, тем больше ее импульс, тем выше ее энергия. Благодаря соотношению E = mc2 чем больше энергия, тем больше масса частицы. По мере того, как вы приближаетесь на все меньшие и меньшие расстояния, виртуальные частицы становятся все более массивными, пока, на масштабе планковской длины, гравитационная сила по своей величине не сравнивается с другими силами. Энергия вступает в свои права, и гравитационное крещендо идет вразнос, вроде как при коллапсе массивной звезды в черную дыру. На расстояниях меньших, чем планковская шкала, гравитационный разгон становится патологическим. Вселенная поедает самое себя. Реальность лопается по швам. Прошедшее и будущее перемешиваются, далекое становится близким, в пространстве-времени наступает смятение и хаос, оно растворяется и исчезает. Уравнения искрят и с шипением исчезают, математика распадается в ничто. Словом, все летит в тартарары. Это конец света.

Теория петлевой квантовой гравитации – это модель пространства на планковских масштабах, перед тем как гравитация разрывает его на куски. Ли Смолин, еще один физик, сотрудник Института «Периметр» и основоположник этой теории, понял, что ситуация могла бы стабилизироваться, если бы пространство, как и материя, было своего рода атомарной структурой. Это означает, что при попытке рассмотреть область пространства во все большем и большем увеличении вы в конце концов упретесь в тупик – мельчайшее пространственное зерно, которое не может быть разбито на части, пространственный «атом», меньше которого уже ничего быть не может. Пока размер пространственного атома больше планковской длины, говорит Смолин, сила тяжести будет оставаться под контролем. Его энергия может расти только до определенного предела, который не позволит посеять хаос и разрушения во Вселенной.

Листая книгу Смолина на эту тему, я обнаружила раздел, который привлек мое внимание. «Вселенная, – писал он, – должна рассматриваться как замкнутая система. Вселенная прекрасна и обладает причудливым строением. Но она не была сотворена кем-то, кто обитает за ее пределами. По определению, Вселенная – это все, что существует, и не может быть ничего вне ее. По определению, не могло ничего существовать до момента рождения Вселенной. Если что-то вызвало рождение Вселенной, то это что-то существовало и должно было быть частью Вселенной. Поэтому первым принципом космологии должно быть утверждение „нет ничего за пределами Вселенной“». Я не могла отделаться от мысли, что тот же принцип был бы справедлив по отношению к H-состоянию, поскольку оно, по определению, бесконечно и безгранично. У ничего нет ничего снаружи.

Мой отец прекратил читать примерно в 4.00 утра, но я продержалась за чтением всю ночь и утром написала самое лучшее письмо, какое только могла написать после бессонной ночи, предлагая свежий взгляд на теорию петлевой квантовой гравитации.

Но что-то все-таки меня беспокоило. На симпозиуме Маркопулу в своем докладе говорила не только об атомарной геометрии, но и о значении наблюдателей в квантовой Вселенной. «Физические космологические теории должны апеллировать к наблюдателям внутри Вселенной», – утверждала она, повторяя суть главного принципа Смолина. Вместо одного описания Вселенной извне лучшее, что мы можем получить, – это огромный массив частичных описаний Вселенной, сделанных изнутри нее. Теория квантовой гравитации, сказала она, должна содержать набор правил для переходов между ними. Космология Маркопулу, построенная на частичных ограниченных наблюдениях Вселенной, напоминала мне предположение Уилера о том, что наблюдатели участвуют в создании Вселенной. Имеет ли мир квантовой гравитации какое-то отношение к самонастраивающемуся контуру Уилера? Я была уверена, что, если мне удастся опубликовать статью в журнале Scientific American, то у меня появится шанс найти ответ на этот вопрос.

Я сидела за компьютером в редакции Manhattan Bride, когда пришел ответ от Фила. Прежде чем открыть электронное письмо, я оглянулась и убедилась, что Рик погружен в свои дела. «Привет, Аманда. Спасибо. Было бы вам интересно написать статью о Фотини Маркопулу?»

Я позвонила отцу, прижимая губы к телефонной трубке и прикрывая рот рукой так, чтобы Рик не мог слышать.

– Я пишу для Scientific American, – прошептала я. – Дело в шляпе.

Я запланировала встретиться с Фотини Маркопулу через несколько месяцев, когда она появится в Нью-Йорке. На следующее утро я зашла в офис сообщить, что увольняюсь.

– Ничего личного, – сказала я Рику. – Просто я хочу написать о физике.

– Может, я смогу найти способ, чтобы ты могла писать про это здесь? – спросил он.

Я моргнула.

– В свадебном журнале?

Спустя час я снова была в метро. Я ехала в Бруклин. Когда поезд проезжал центр города со стороны Уолл-стрит, я начала склоняться к мысли, что решение бросить работу было, возможно, слишком эмоциональным поступком. Одной статьи недостаточно, чтобы платить по счетам. Но уже на Ист-ривер я была уверена, что сделала правильный выбор. Костным мозгом я знала, что это было начало чего-то бо́льшего. За резкими переменами обязательно последуют новые приключения.

Мое волнение несколько усилилось, когда я позвонила моим родителям.

– Я знаю, что это было не самое ответственное решение, – сказала я сконфуженно. – Но я чувствую, что поступаю правильно.

– Ты должна доверять интуиции, – сказал отец. – Деньги – это полезно. А то, чем ты сейчас занимаешься, – важно.

Я слышала, как мама вздохнула.

– Тебе лучше бы было выйти замуж за врача.

Избавившись от необходимости каждый день ходить на работу, я посвятила все свое время чтению и размышлениям о физике. К сожалению, для моих друзей и моего бойфренда, с которым я жила в то время, «думать о физике» было сродни банальному ничегонеделанью. Когда я пыталась объясниться, все вежливо кивали, но их вопросы выдавали глубокое убеждение, что я просто сошла с ума.

– А не думаешь ли ты, что, ни разу не побывав ни на одном уроке физики, ты можешь столкнуться со сложностями, посвящая физике свою жизнь? – спрашивали они.

– Время покажет, – отвечала я.

Чтобы не остаться совсем на мели, я работала несколько ночей в неделю гардеробщицей в ночном клубе у моего брата. Это было забавно. Под оглушительные звуки хип-хопа, в мини-юбке и на высоких каблуках, я сидела на полу, прислонившись спиной к горе модных пальто, и потихоньку читала о Вселенной.

Когда потеплело, я проводила вторую половину дня, сидя на крыльце с Кэссиди – моим черным лабрадором, купаясь в солнечных лучах, размышляя о реальности и готовясь к встрече с Фотини Маркопулу.

Я знала, что физикам нужна теория квантовой гравитации, поскольку общая теория относительности и квантовая механика не могли мирно сосуществовать в одной Вселенной. Но что именно сделало их столь безнадежно несовместимыми? Куда бы я ни посмотрела, я везде находила только технические тонкости: мир теории относительности – непрерывный, квантовый мир – дискретный; в теории относительности положение в пространстве-времени точно определено, а в квантовой теории – размыто. Это были препятствия, конечно, но не принципиально непреодолимые. Это было похоже на то, как если бы теория относительности предпочитала шоколад, а квантовая теория – ваниль. То есть совсем не так, как если бы теория относительности была протестантом, а квантовая теория – уткой.