Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Грин Брайан

Законы физики не действуют таким образом. Мы можем представить вселенную, в которой физические законы менялись бы так же, как местные и национальные правительства; мы можем представить вселенную, в которой законы физики, с которыми мы обычно имеем дело, ничего не говорили бы нам о законах физики на Луне, в галактике Андромеды, в Крабовидной туманности или на другой стороне вселенной. Фактически, мы не знаем с абсолютной определенностью, что законы, которые работают здесь, являются теми же самыми, которые работают в дальних уголках космоса. Но мы знаем, что если законы каким-то образом изменяются вне наших мест, это должно быть совсем вне наших мест, так как все более точные астрономические наблюдения обеспечивают все более убедительные свидетельства в пользу того, что законы однородны в пространстве, как минимум, в пространстве, которое мы можем видеть. Это подчеркивает поразительную силу симметрии. Мы связаны с планетой Земля и ее окрестностями. И все же, благодаря трансляционной симметрии мы можем получить знания о фундаментальных законах, работающих во всей вселенной, не покидая дома, поскольку законы, которые мы открываем здесь, являются и там законами.

Вращательная симметрия или вращательная инвариантность является близкой родственницей трансляционной инвариантности. Она основывается на идее, что каждое пространственное направление рассматривается на одинаковом основании с любым другим. Вид с

Земли определенно не приводит вас к такому заключению. Когда вы смотрите вверх, вы видите вещи, весьма отличающиеся от того, что вы видите, когда вы смотрите вниз. Но, еще раз, это отражает детали окружения; это не характеризует сами лежащие в основании законы. Если вы покинули Землю и плаваете в пустом пространстве, далеко от любых звезд, галактик или иных небесных тел, симметрия становится очевидной: там нет ничего, что выделило бы одно особое направление в черной пустоте от другого. Они все равноправны. Вы не смогли бы дать идею, как удаленной в пространстве лаборатории, в которой вы сидите, исследовать свойства материи или сил, которые должны быть ориентированы таким или сяким образом, поскольку основополагающие законы нечувствительны к такому выбору. Если однажды ночью некий шутник изменит установки лабораторных гироскопов, вынудив их повернуться на некоторое число градусов относительно некоторой особой оси, вы должны ожидать, что это не будет иметь каких-либо следствий для законов физики, изучаемых вашими экспериментами. Каждое измерение всегда будет полностью подтверждать это ожидание. Так что мы уверены, что законы, которые управляют проводимыми вами экспериментами и объясняют найденные вами результаты, нечувствительны как к тому, где вы находитесь, – это трансляционная симметрия, – так и к тому, как вы сориентировались в пространстве – это вращательная симметрия. [1]

1. Чтобы быть более точным, симметрия между законами в Коннектикуте и законами в Нью-Йорке использует как трансляционную симметрию, так и вращательную симметрию. Когда вы выступаете в Нью-Йорке, вы не только изменили свое положение из Коннектикута, но, более чем вероятно, вы предприняли ваше выступление в некотором ином направлении (запад вместо севера, возможно), чем во время подготовки.

Как мы обсуждали в Главе 3, Галилей и другие были хорошо осведомлены о другой симметрии, которую законы физики должны соблюдать. Если ваша удаленная в пространстве лаборатория движется с постоянной скоростью, – безотносительно, двигаетесь ли вы со скоростью 5 миль в час туда или 100 000 миль в час сюда, – движение абсолютно не должно влиять на законы, которые объясняют ваши наблюдения, поскольку вы так же правы, как и соседний парень в утверждении, что вы покоитесь, а движется что-то другое. Эйнштейн, как мы видели, расширил эту симметрию совершенно неожиданным образом, включив скорость света среди наблюдателей, которая не будет зависеть от вашего движения или от движения источника света. Это был ошеломляющий ход, поскольку мы обычно сбрасываем особенности скорости объекта в мусорное ведро деталей окружающей среды, полагая, что наблюдаемая в общем случае скорость зависит от движения наблюдателя. Но Эйнштейн, видя поток симметрии света через щели в фасаде ньютоновской природы, вознес скорость света на уровень несокрушимого закона природы, объявив ее независимой от движения, как вид биллиардного шара не зависит от поворотов.

ОТО, следующее великое открытие Эйнштейна, была сразу поставлена на этот путь к теориям с еще большей симметрией. Точно так, как вы можете думать об СТО как о теории, устанавливающей симметрию среди всех наблюдателей, двигающихся друг относительно друга с постоянной скоростью, вы можете думать об ОТО как о теории, идущей на шаг дальше и устанавливающей симметрию также и среди всех ускоренных систем отсчета. Это экстраординарно, поскольку, как мы подчеркивали, хотя вы не можете чувствовать движение с постоянной скоростью, вы можете чувствовать ускоренное движение. И кажется, что законы физики, описывающие ваши наблюдения, должны быть непременно другими, когда вы ускоряетесь, чтобы оценить добавочные силы, которые вы чувствуете. Это так в случае ньютоновского подхода; его законы, первое, что появляется во всех учебниках по физике для первого года обучения, должны быть модифицированы, если используется ускоренный наблюдатель. Но через принцип эквивалентности, обсужденный в Главе 3, Эйнштейн обнаружил, что силы, которые вы чувствуете при ускоренном движении, неотличимы от сил, которые вы чувствуете в гравитационном поле подходящей интенсивности (чем больше ускорение, тем больше гравитационное поле). Так что, в соответствии с эйнштейновской, более утонченной точкой зрения, законы физики не изменяются, когда вы ускоряетесь, до тех пор, пока вы включаете подходящее гравитационное поле в ваше описание окружения. ОТО рассматривает всех наблюдателей, даже тех, которые двигаются с произвольной непостоянной скоростью, одинаково, – они полностью симметричны, – поскольку каждый может утверждать, что он покоится при условии добавления особых сил, ощущаемых как влияние особых гравитационных полей. Отличия в наблюдениях между одним ускоренным наблюдателем и другим, следовательно, не являются больше удивительными и обеспечивают подтверждение изменения законов природы не больше, чем это делают отличия, которые вы найдете, когда выполните ваши гимнастические упражнения на Земле или на Луне. [2]

2. Законы движения Ньютона обычно описываются как применимые для "инерциальных наблюдателей", но если более пристально посмотреть, как такие наблюдатели определяются, получается циклическая ситуация: инерциальные наблюдатели это те наблюдатели, для которых действуют законы Ньютона. Хороший способ подумать о том, что на самом деле происходит, тот, что законы Ньютона притягивают наше внимание к большому и особенно удобному классу наблюдателей: к тем, чье описание движения полностью и количественно подходит под ньютоновскую схему. По определению это и есть инерциальные наблюдатели. На практике инерциальные наблюдатели это те, на кого не действуют силы любого вида, – это означает, наблюдатели, которые не испытывают ускорения. ОТО Эйнштейна, в отличие от этого, применима ко всем наблюдателям, не зависимо от состояния их движения.

Эти примеры несколько проясняют, почему многие рассматривают, и я подозреваю, Фейнман был бы согласен, что обширные симметрии, лежащие в основании законов природы, представляют вслед за атомной гипотезой второе место в списке обобщений наших наиболее глубоких научных достижений. Но это еще не все. В течение последних нескольких десятилетий физики вознесли принципы симметрии на высочайшую ступень лестницы объяснений. Когда вы сталкиваетесь с предлагаемым законом природы, естественный вопрос, который должен быть задан, таков: Почему это закон? Почему СТО? Почему ОТО? Почему максвелловская теория электромагнетизма?

Почему теория Янга-Миллса сильных и слабых ядерных сил (которую мы коротко рассмотрим)? Один важный ответ таков, что эти теории делают предсказания, которые раз за разом подтверждаются точными экспериментами. Это, определенно, существенно для доверия, которое физики испытывают к теориям, но это оставляет за кадром нечто важное.

Физики также верят, что эти теории находятся на правильном пути, потому что в некотором трудно

объяснимом смысле они ощущаются правильными, и идеи симметрии существенны в этом ощущении. Ощущается непосредственно, что во вселенной нет места, которое как-то специально выделено по сравнению с любым другим, так что физики доверяют утверждению, что трансляционаая симметрия должна быть среди симметрий законов природы. Ощущается непосредственно, что нет особого движения с постоянной скоростью, которое было бы как-то выделено по сравнению с любым другим, так что физики доверяют утверждению, что СТО, полностью охватывая симметрию между всеми наблюдателями, движущимися с постоянной скоростью, является существенной частью законов природы. Ощущается непосредственно, более того, что любая точка отсчета наблюдателя – безотносительно к возможному включению ускоренного движения – должна быть так же применима, как и любая другая, так что физики верят, что ОТО, простейшая теория, включающая эту симметрию, находится среди глубоких, истинных, управляющих природой законов. И, как мы скоро увидим, теории трех сил, кроме гравитации, – электромагнетизма, сильного и слабого ядерных взаимодействий, – основываются на других, в некоторой степени более абстрактных, но равно убедительных принципах симметрии. Так что симметрии природы являются не просто следствиями законов природы. С нашей современной точки зрения симметрии являются основаниями, с которых начинаются законы.

Симметрия и время

Кроме своей роли по формированию законов, управляющих силами природы, идеи симметрии существенны и для концепции самого времени. Никто пока не нашел ясное, фундаментальное определение времени, но, несомненно, часть роли времени в структуре космоса заключается в том, что оно является учетчиком изменения. Мы распознаем, что время пролетело, отмечая, что вещи теперь отличаются от того, какими они были ранее. Часовая стрелка на ваших часах указывает на другое число, солнце находится в другом положении на небе, страницы в вашем расплетенном экземпляре Войны и мира стали более разупорядоченными, углекислый газ, который вырвался из вашей бутылки колы, еще более разлетелся, – все это делает очевидным, что вещи изменились, и время есть то, что обеспечивает возможность, чтобы такие изменения осуществились. Перефразируя Джона Уилера, время есть способ природы сохранять все – то есть, все изменения – от внезапных происшествий.

Существование времени, таким образом, зависит от отсутствия особой симметрии: вещи во вселенной должны изменяться от момента к моменту для нас, даже чтобы определить понятие "от момента к моменту", что полностью соотносится с нашей интуитивной концепцией. Если имеется полная симметрия между тем, каковы вещи сейчас, и тем, каковы они тогда, если изменение от момента к моменту не более значительно, чем изменения в поворачивающемся биллардном шаре, время, как мы себе его обычно представляем, не будет существовать. [3] Это не значит, что описание пространства-времени, схематически проиллюстрированное на Рис. 5.1, не будет существовать; будет. Но, поскольку все будет полностью однородно вдоль оси времени, не будет смысла, в котором вселенная эволюционирует или изменяется. Время будет абстрактным свойством такой арены реальности, – четвертым измерением в пространственно-временном континууме, – но, с другой стороны, оно будет нераспознаваемым.

3. Если бы мы жили в эпоху, во время которой все изменения были бы остановлены, мы бы не ощущали течения времени (все функции тела и мозга должны были бы быть также заморожены). Но означало бы это, что пространственно-временной блок на Рис. 5.1 подошел к концу, или, напротив, он продолжался бы без изменений вдоль оси времени, – что означает, должно ли время было бы подойти к концу или должно было бы еще существовать в некотором формальном, обобщенном смысле, – гипотетический вопрос, который как тяжел для ответа, так и в значительной степени не имеет отношения ко всему, что мы можем измерять или переживать. Заметим, что эта гипотетическая ситуация отличается от состояния максимального беспорядка, в котором энтропия не может больше расти, но микроскопические изменения вроде движения туда-сюда молекул газа все еще имеют место.

Тем не менее, даже если существование времени соотносится с отсутствием одной особой симметрии, его применение на космических масштабах требует от вселенной быть предельно связанной с другой симметрией. Идея проста и отвечает на вопрос, который мог появиться у вас при прочтении Главы 3. Если теория относительности учит нас, что прохождение времени зависит от того, как быстро вы двигаетесь и от гравитационного поля, в котором вы оказались погруженным, то что должно означать, когда астрономы и физики говорят о целой вселенной, имеющей особый определенный возраст – возраст, который в наши дни оценивается около 14 миллиардов лет? Четырнадцать миллиардов лет в соответствии с чем? Четырнадцать миллиардов лет по каким часам? Придут ли живущие в удаленной туманности Головастика тоже к заключению, что вселенной 14 миллиардов лет, и, если так, что будет гарантировать, что их часы тикали синхронно с нашими? Ответ зависит от симметрии – симметрии в пространстве.

Если бы ваши глаза могли видеть свет, чья длина волны значительно длиннее, чем у оранжевого или красного света, вы были бы не только в состоянии видеть внутренности вашей микроволновой печки в момент ее включения, когда вы нажимаете кнопку старта, но вы также видели бы слабое и почти однородное зарево, распространенное через то, что другие из нас воспринимают как темное ночное небо. Более сорока лет назад ученые открыли, что вселенная наполнена микроволновым излучением, – светом с большой длиной волны, – которое является холодным остатком жарких условий сразу после Большого взрыва. [4] Эта космическая микроволновая фоновая радиация совершенно безопасна. Раньше она была в огромной степени более горячая, но в ходе эволюции и расширения вселенной радиация равномерно снижала концентрацию и охлаждалась. Сегодня ее температура всего около 2,7 градуса выше абсолютного нуля, и ее самое большое проявление в качестве источника неприятностей заключается в ее вкладе в небольшую часть "снега", который вы видите на вашем телевизоре, когда вы отключили кабель и настроились на станцию, которая не вещает в эфир.

4. Космическое микроволновое излучение было открыто в 1964 учеными Лаборатории Белл Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном во время тестирования большой антенны, предназначенной для связи со спутниками. Фоновый шум, с которым столкнулись Пензиас и Вильсон, оказалось невозможно удалить (даже после того, как они выбросили птичий помет – "белый шум" – из внутренностей антенны), и с ключевыми прозрениями Роберта Дике из Принстона и его студентов Петера Ролла и Дэвида Вилинсона вместе с Джимом Пиблсом в конце концов было осознано, что антенна улавливала микроволновую радиацию, которую произвел Большой взрыв. (Важная работа в космологии, которая установила платформу для этого открытия, была проведена ранее Георгием Гамовым, Ральфом Алфером и Робертом ). Как мы обсуждаем далее в последующих главах, фоновая радиация дает нам подлинную картину вселенной, когда ей было около 300 000 лет. Это было, когда электрически заряженные частицы вроде электронов и протонов, которые нарушали движение лучей света, объединились для формирования электрически нейтральных атомов, которые в общем и целом позволили свету путешествовать свободно. С тех самых пор такой древний свет, – произведенный на ранних этапах вселенной, – беспрепятственно путешествовал и сегодня заполнил все пространство микроволновыми фотонами.