Согласно Исааку Ньютону, пространство и время просто существуют, образуя пассивную универсальную космическую сцену, на которой разыгрываются все события. Согласно же его современнику и частому оппоненту Готфриду Вильгельму Лейбницу, «пространство» и «время» служат всего лишь удобным обозначением для связей между тем, где был объект и когда произошло событие, и ничем бо́льшим. Однако согласно Альберту Эйнштейну пространство и время являются исходным материалом, лежащим в основе реальности. Своими теориями относительности Эйнштейн встряхнул наши представления о пространстве и времени и вскрыл их принципиальную роль в эволюции Вселенной. С этого момента пространство и время стали жемчужинами физики. Они одновременно и знакомы, и таинственны; достижение полного понимания пространства и времени стало для физиков самой вызывающей задачей и самым желанным призом.
Научные достижения, о которых мы будем говорить в данной книге, по-разному вплетаются в ткань пространства и времени. Некоторые идеи будут оспаривать основы представлений о пространстве и времени, которые в течение столетий, если не тысячелетий, не подвергались никакому сомнению. Другие идеи будут устанавливать связь между нашим теоретическим пониманием пространства и времени и теми их характерными чертами, которые мы обычно ощущаем. Третьи идеи поднимут вопросы, не решаемые в рамках обычных ограниченных представлений.
Мы совсем немного будем затрагивать философию (и совсем не будем говорить о самоубийстве и смысле жизни). Но мы совершенно ничем не будем сдерживать себя в нашем научном стремлении раскрыть таинство пространства и времени. С решительным намерением выяснить истинную природу пространства и времени мы будем изучать их и в привычных, и в выходящих за рамки обычного условиях: начиная с масштабов мельчайшей крупинки Вселенной и самых ранних моментов её существования до самых далёких пределов Вселенной и самого отдалённого её будущего. Мы не придём ни к каким окончательным выводам, поскольку история пространства и времени ещё не полностью написана. Но мы познакомимся с рядом достижений — некоторые покажутся очень странными, некоторые принесут удовлетворение, некоторые могут быть проверены в эксперименте, а другие пока останутся чисто спекулятивными, — которые покажут, на сколько мы приблизились к тому, чтобы своим умом охватить ткань космоса и прикоснуться к истинной структуре реальности.
Историки расходятся в том, когда началась современная научная эпоха, но, несомненно, начало ей положили труды Галилео Галилея, Рене Декарта и Исаака Ньютона. В те дни был заложен новый метод изучения природы — научный подход, возникший благодаря тому, что данные, полученные в ходе наблюдений земных и небесных явлений, всё больше указывали — всё происходящее в космосе подчиняется строгому порядку, описываемому на языке математического анализа. Пионеры современного научного мышления приводили доводы в пользу того, что происходящее во Вселенной можно не только объяснять, но и предсказывать, если встать на правильную точку зрения. Была открыта предсказательная сила науки — способность предсказывать моменты будущего, причём делать это согласовано и количественно.
Первые научные исследования фокусировались на том, что можно было видеть или ощущать в повседневной жизни. Галилей сбрасывал предметы разного веса с наклонной башни (как гласит легенда) и наблюдал за скатыванием шаров по наклонной плоскости; Ньютон наблюдал за падением яблок (как гласит легенда) и изучал орбиту Луны. Целью этих исследований было настроить зарождающийся научный слух на гармонию природы. Конечно, объектом опытов служила физическая реальность, но ставилась задача уловить гармонию и причину ритмичности и регулярности явлений. Много воспетых и безвестных героев внесли свой вклад в быстрый и впечатляющий прогресс, но Ньютон затмил всех. С помощью нескольких уравнений он описал всё известное о движении на Земле и в небесах и тем самым положил начало классической физике.
За десятилетия, последовавшие за работой Ньютона, его уравнения были включены в стройную математическую структуру, что существенно расширило как их охват, так и их практическую ценность. Классическая физика постепенно становилась утончённой и зрелой научной дисциплиной. Но путеводной звездой для всех этих достижений были прозрения Ньютона. Даже сегодня, более чем триста лет спустя, уравнения Ньютона можно видеть на университетских досках по всему миру; по этим уравнениям рассчитываются траектории движения космических аппаратов, и те же уравнения Ньютона можно встретить в сложных расчётах на переднем крае науки. Ньютон описал многообразие физических явлений в рамках единого теоретического подхода.
Но, формулируя свои законы движения, Ньютон наткнулся на трудную проблему, которая будет особенно важна в нашей истории (глава 2). Все знают, что объекты могут двигаться, но как насчёт арены, на которой происходит движение? Это пространство, — ответим мы хором. Но что такое пространство? — спросил бы далее Ньютон. Является ли пространство реальной физической сущностью или оно представляет собой абстрактную идею, рождённую в ходе человеческого усилия понять космос? Ньютон сознавал, что надо ответить на этот ключевой вопрос, ведь иначе, без опоры на понятия пространства и времени, его уравнения движения окажутся попросту бессмысленными. Понимание требует контекста; прозрение должно иметь под собой твёрдую почву.
В нескольких предложениях в «Математических началах натуральной философии» Ньютон изложил свою концепцию пространства и времени, объявив их абсолютными и вечными сущностями, предоставляющими для Вселенной жёсткую и неизменную арену. Согласно Ньютону, пространство и время образуют невидимый каркас, придающий форму и структуру Вселенной.
Но не все согласились. Некоторые убедительно возражали, что не очень-то разумно приписывать существование тому, что невозможно почувствовать или ухватить или на что невозможно повлиять. Но сила объяснений и предсказаний на основе уравнений Ньютона усмирила критиков. В течение следующих двух столетий его концепция абсолютного пространства и времени утвердилась как догма.
Релятивистская реальность
Классический взгляд Ньютона давал ощущение удовлетворения. Он не только описывал с поразительной точностью природные явления, но и детали этого описания — математическая трактовка — полностью согласовывались с опытом. Если вы толкнёте объект, он начнёт ускоряться. Чем сильнее вы бросите мяч, тем сильнее он ударится о стену. Если вы надавливаете на объект, вы чувствуете, что он оказывает противодействие. Чем массивнее объект, тем сильнее он притягивается к земле. Таковы свойства природы, и в уравнениях Ньютона они отражаются как в чистой воде. Действие законов Ньютонов понятно всем, имеющим хотя бы минимальную математическую подготовку. Классическая физика давала прочный фундамент для человеческой интуиции.
Ньютон ввёл в свои уравнения и силу гравитации, но только в 1860-х гг. шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл включил в классическую физику силы электричества и магнетизма. Для этого Максвеллу потребовались дополнительные уравнения и более изощрённая математика. Но его новые уравнения столь же успешно описывали явления электричества и магнетизма, как уравнения Ньютона описывали движение. В конце XIX в. стало казаться, что никакие секреты Вселенной не могут устоять перед мощью человеческого интеллекта.
Действительно, после успешного включения в классические уравнения сил электричества и магнетизма всё больше росло ощущение, что изучение теоретической физики вскоре будет завершено. Некоторые считали, что физика быстро становится законченной наукой, и её законы будут вскоре высечены в камне. В 1894 г. известный физик-экспериментатор Альберт Майкельсон отметил, что «большинство основополагающих принципов прочно установлены», и сослался на «именитого учёного» (большинство полагают, что это был английский физик лорд Кельвин), сказавшего, что всё, что остаётся — это определить некоторые числа с бо́льшим числом знаков после запятой.{1} В 1900 г. Кельвин сам заявил, что горизонт омрачают лишь «два облачка», одно из которых относится к свойствам движения света, а другое — к аспектам излучения нагретых тел,{2} но в целом это всего лишь детали, которые, несомненно, вскоре будут прояснены.
За следующее десятилетие всё изменилось. Как и ожидалось, две проблемы, поставленные лордом Кельвином, были вскоре разрешены, но они оказались далеко не малозначащими. Каждая из них вызвала целую революцию, и каждая требовала фундаментально переписать законы природы. Были низвержены классические концепции пространства, времени и реальности — те самые, которые сотни лет не только исправно работали, но и лаконично выражали наше интуитивное ощущение мира.
