В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики
Шрифт:
И это называется «не произошло ничего особенного»? Да, начать думать, что вся эта космическая гиперактивность, энергия, возникновение фундаментальных основ не представляют чего-то значительного, – значит сделать большой шаг. Но потерпите. Я хочу разобраться с этой контринтуитивной идеей. «Ничего особенного не случилось, когда Вселенная обрела существование». Нет, я не отрицаю, что Большой Взрыв был и что он был грандиозным: в пользу этого, так же как и в пользу реальности инфляционной эры, накопилось столько свидетельств, что было бы нелепо отвергать этот сценарий появления протовселенной немного меньше 14 миллиардов лет назад. Я просто предлагаю эти факты переосмыслить.
Мотивация для такого переосмысления состоит в том, что оно может стать шагом к разгадке одной из величайших головоломок бытия: как что-то могло появиться из ничего без постороннего вмешательства. Одна из функций науки – упрощение нашего понимания Природы путем отбрасывания обманчивых признаков. Благоговение перед повседневной сложностью мира сменяется преклонением перед взаимосвязанностью и внутренней простотой всех его проявлений. Изумление перед чудесами мироустройства остается, но дополняется и приумножается радостью открытия лежащей в их основе простоты и присущего этой
Двусмысленность, ловушка моей формулировки заключается, конечно, в словах «ничего особенного». Если уж говорить начистоту, я бы хотел заменить это выражение на «совершенно ничего». То есть я хотел бы констатировать, что при сотворении мира совершенно ничего не случилось и что я могу это утверждение обосновать. Нет действия, значит, нет и действующей силы. Если бы абсолютно ничего не произошло, то науке нечего было бы и объяснять, что, несомненно, упростило бы ее задачу. Оглядываясь назад, мы могли бы даже утверждать, что это было ее успехом! Ведь наука иногда идет вперед, именно демонстрируя бессмысленность заданного ей вопроса, – так отсутствие решения вопроса о том, могут ли движущиеся наблюдатели договориться об одновременности наблюдаемых событий, привело к появлению специальной теории относительности. И хоть это и не относится к сфере науки, но вопрос о том, сколько ангелов может плясать на кончике иглы, снимается, если можно тем или иным способом показать, что ангелов не существует или хотя бы что они из-за какого-то физиологического или анатомического недостатка плясать вообще не могут. Итак, устранение вопроса может оказаться вполне законным путем получения ответа. Но такой шаг на нынешней стадии нашего рассказа может оказаться слишком решительным. Он будет воспринят как пренебрежение долгом ученого, как жульничество, как типичная научная увертка, – назовите как хотите, но пока что это чересчур, и потому я ограничусь заявлением, что, когда Вселенная обрела существование, не произошло именно «ничего особенного». А позже, в надлежащем месте объясню, чем же все-таки было это «ничего».
Смысл этого вступления вот в чем. Доказательством, которое я собираюсь представить в пользу тезиса «ничего особенного не случилось», является демонстрация появления законов природы именно из этого акта. Во всяком случае, я докажу, что из того, что в начале времен «ничего особенного не случилось», произошел по крайней мере один класс естественных законов. Мне кажется, это сильный аргумент в пользу моей позиции, – ведь коль скоро мировые механизмы, законы, управляющие поведением мира, вытекают из такой точки зрения, то исчезает необходимость в вычурной и сложной гипотезе о существовании творящей эти законы движущей силы, которую называют обычно богом. Я утверждаю, что законы, которые не возникают из бездействия, появляются из анархии, – когда не действуют никакие законы. Планируя свою аргументацию, я вдруг осознал, что в некоторых случаях анархия может и сама по себе накладывать слишком много ограничений. Но потом мне удалось сохранить мою первоначальную концепцию во всей ее силе: ведь анархии позволяется объединяться с неведением. Вы скоро увидите, что я имею в виду. Настанет даже момент, когда я покажу, что неведение – мощный инструмент достижения знания.
Должен подчеркнуть, что в этой книге я говорю только о физических законах – законах, управляющих материальными сущностями, сферами, планетами, – вообще предметами, – а также неосязаемыми излучениями, фундаментальными частицами и так далее. Я оставляю в стороне моральные законы, создание которых многие все еще приписывают богу, – нет, Богу, с большого «Б», неисчерпаемому, непостижимому, вездесущему источнику всего совершенства, судье добра и зла, утешающего агнцев и прощающего козлищ. Внесу ясность: я исхожу из того, что все биологические и общественные явления проистекают из физических законов. И если бы вам вздумалось добраться до основания моих убеждений, вы бы увидели, что в соответствии с ними все аспекты человеческого поведения пронизаны стремлением к бездействию и анархии. Впрочем, здесь я эту мысль развивать дальше не стану.
Итак, что же собой представляют законы природы? Что именно я пытаюсь объяснить, раскрывая их происхождение? В широком смысле законы природы – это итог нашего опыта, наших экспериментальных знаний о поведении сущностей. Иногда такой опыт отражается в «народной мудрости» – фольклорных поговорках типа «чем выше взлетишь, тем больнее падать» или «кто над чайником стоит, у того он не кипит». Но в любой «народной мудрости» всегда есть изъян. Если взлететь с такой скоростью, что окажешься на орбите, то уже не упадешь, сколько ни старайся. И если постоять над чайником подольше, он в конце концов все-таки закипит. Законы природы – это улучшение «народной мудрости», вытяжка из нее. Они вытекают из наблюдений, производимых в управляемых обстоятельствах, когда явление, которое требуется объяснить, изолируется от мешающих внешних воздействий (например, от грязи на колесах аристотелевой повозки или от воздуха, сквозь который летит его стрела).
Мы считаем законы природы пространственно универсальными и не зависящими от времени. Их повсеместность и, возможно, вечная неизменность означает, что любой закон природы
Законы устанавливаются в лабораториях, занимающих несколько кубометров, но считаются применимыми ко всей Вселенной. На выработку их формулировок уходит время, сравнимое с продолжительностью человеческой жизни, но мы уверены, что они действуют на промежутках времени, примерно равных вечности. Для такой уверенности есть кое-какие основания – и все же надо проявлять некоторую осторожность и не отдаваться им совсем уж беззаветно.
На микроскопически малых масштабах непосредственного человеческого опыта, за крохотную часть времени существования Вселенной и в исчезающе маленькой доле ее объема законы природы оказываются неизменными, где бы и когда бы мы их ни проверяли, – по крайней мере, в пределах Земли. На масштабах, превышающих границы человеческого опыта, эти законы проверяются благодаря способности астрономов наблюдать явления на громадных расстояниях от Земли, в других галактиках и соответственно в глубоком прошлом. Если только на огромных расстояниях в пространстве и во времени отклонения от законов каким-то загадочным образом не компенсируют друг друга ровно настолько, чтобы сбить нас с толку, мы можем сказать, что никаких отклонений от установленных на Земле законов во Вселенной не зарегистрировано. И раз этого не происходило за те краткие миллиарды лет, что остались в прошлом, нет никаких причин подозревать, что ныне действующие законы изменятся и за похожее время в будущем. Конечно, вполне может случиться, что в течение следующих нескольких триллионов лет, – а может, и завтра в полночь – ныне скрытые от нас измерения пространства-времени, которые, как некоторые подозревают, таятся в его глубинах, вдруг развернутся, объединившись с горсточкой привычных нам измерений, и изменят избитую реальность нашего мира до полной неузнаваемости. Этого мы не знаем. Но в один прекрасный день – такова сила законов природы – мы, возможно, сможем это предсказать на основе тех законов, которые выводим сегодня. Ибо законы природы несут в себе и зародыш своей отмены.
Почти все – но не все – законы представляют собой приближения, даже когда они касаются сущностей, изолированных от внешних и случайных воздействий (той самой грязи). Позвольте указать здесь на одну историческую фигуру и на первый из ряда малых и простых законов, которые я буду использовать, чтобы иллюстрировать свои мысли. (Позже я укажу на различие между «большими» и «малыми» законами; этот закон относится к числу малых.) Роберт Гук (1635–1703), очень умный, изобретательный и трудолюбивый ученый, предложил закон, относящийся к растяжению пружин [3] . Как было принято в те времена, он записал свой закон в виде анаграммы – это делалось, чтобы «застолбить» свой приоритет, но при этом выиграть время на изучение следствий из сделанного открытия, не опасаясь, что тебя кто-то обгонит и опубликует тот же результат раньше. И вот в 1660 году Гук опубликовал загадочную шифровку ceiiinosssttuv – как впоследствии оказалось, она значила Ut tensio, sic vis [4] . На более прямом языке сегодняшнего дня закон Гука утверждает, что возвращающая сила (сила упругости), возникающая в пружине, пропорциональна тому, на сколько линейных единиц эта пружина растянута или сжата. Закон очень хорошо описывает поведение не только реальных пружин, но и действующих по тому же принципу связей между атомами и молекулами; у него оказалось несколько удивительных следствий, о которых совершенно не подозревали ни сам Гук, ни даже его современник Ньютон. И однако же этот закон является всего лишь приближением, – если пружину растянуть на очень большое расстояние, пропорциональность между силой и растяжением нарушится, даже если вы остановитесь прежде, чем пружина лопнет: ceiiinnnoosssttuv. Тем не менее, если не забывать о том, что закон Гука работает только для малых растяжений, он вполне адекватен.
3
Согласно закону Гука, F = —kfx, где F – возвращающая сила, x – смещение от точки равновесия («пружина в состоянии покоя») и kf – характеристика пружины: постоянная взаимодействия, или жесткость. У жесткой пружины эта постоянная велика. Больше об этом в главе 6.
4
В переводе с латинского – «каково растяжение, такова и сила», т. е. «растяжение пружины пропорционально приложенной силе». (Прим. перев.)
Но законы могут быть и точными. Например закон сохранения энергии, который состоит в том, что энергия не может быть создана или уничтожена: она может только переходить из одной формы в другую, но общее количество энергии, которое есть у нас на сегодняшний день, останется таким же навеки и всегда было таким в прошлом. Этот закон имеет такую силу, что на его основании можно совершать открытия. В 1920-х было замечено, что при ядерном распаде определенного вида энергия как будто не сохраняется. И так как явление было совершенно новым и неизученным, появилось предположение, что это и вправду так. Альтернативная точка зрения, предложенная в 1930 году австрийским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули (1900–1958), заключалась в том, что энергия сохраняется, но часть ее уносится пока неизвестными частицами. Это предположение стимулировало поиски таких частиц, и в итоге была зарегистрирована новая элементарная частица – нейтрино. Как мы еще увидим, закон сохранения энергии глубочайшим образом связан с самим фактом познаваемости Вселенной – в нем коренится принцип причинности, сама идея, что одно событие может быть причиной другого. Потому этот закон, по сути, лежит в основе всех объяснений. Для нашего последующего повествования он будет значить очень много.