Высший замысел

Хокинг Стивен Уильям

На протяжении последующих одиннадцати лет Эйнштейн развивал новую теорию гравитации, которую назвал общей теорией относительности. Понятие гравитации в общей теории относительности совсем непохоже на то, которое было у Ньютона. Эйнштейн построил его на революционном предложении о том, что пространство-время не плоское, как предполагалось до этого, а искривлено и искажено содержащимися в нем массой и энергией.

Представить себе искривление удобно на примере поверхности Земли. Хотя земная поверхность всего лишь двухмерна (поскольку на ней есть только два направления: север — юг и восток — запад), мы возьмем это для примера, потому что искривление двухмерного пространства проще изобразить, чем искривление четырехмерного. Геометрия искривленных пространств, таких как земная поверхность, это не геометрия Евклида, с которой мы хорошо знакомы. Например, на земной поверхности кратчайшее расстояние между двумя точками, которое мы знаем в евклидовой геометрии как прямую, это путь, связывающий

две точки по так называемой дуге большого круга. (Большим кругом называется круг, центр которого совпадает с центром земного шара. Линии пересечения таких кругов с поверхностью Земли образуют окружности, вдоль которых и проходят кратчайшие расстояния. Примером подобной окружности может служить экватор, а также любая окружность, полученная при вращении экватора вокруг произвольно расположенных диаметров земного шара.)

Геодезические линии. Кратчайшее расстояние между двумя пунктами на поверхности Земли выглядит на плоской карте изогнутой линией. Имейте это в виду, если вдруг доведется проходить тест на алкоголь.

Представьте, что вы хотите совершить путешествие, например, из Нью-Йорка в Мадрид (эти два города находятся почти на одной широте). Если бы Земля была плоской, то кратчайшим путем было бы направление на восток строго по прямой. Если вы так и поступите, то прибудете в Мадрид, преодолев 3707 миль. Но вследствие искривленности земной поверхности имеется путь, который на плоской карте выглядит кривым и поэтому кажется более длинным, однако на самом деле он короче. Вы сможете добраться туда же, преодолев только 3605 миль, если ваш маршрут будет пролегать по дуге большого круга. Такой путь пойдет сначала на северо-восток, потом будет постепенно поворачивать на восток, а затем на юго-восток. Разница в расстояниях между двумя точками объясняется искривленностью земной поверхности и указывает на ее неевклидову геометрию. Авиакомпании знают это и прокладывают для пилотов маршруты по дуге большого круга, когда это целесообразно.

Согласно законам движения Ньютона, объекты, будь то пушечные ядра, круассаны или планеты, движутся по прямой, если на них не действует никакая сила, например сила тяжести (гравитация). Но гравитация, по теории Эйнштейна, не является такой же силой, как другие. Скорее, она следствие того, что масса искажает пространство-время, создавая кривизну. В теории Эйнштейна объекты перемещаются по так называемым геодезическим линиям, которые представляют собой прямые линии, расположенные в искривленном пространстве. Геодезическая линия на плоскости — это прямая, а на поверхности земного шара — дуга большого круга. При отсутствии материи геодезические линии в четырехмерном пространстве-времени соответствуют прямым в трехмерном пространстве. Но когда материя присутствует, она искривляет пространство-время, и траектории тел в соответствующем трехмерном пространстве искривляются. Теория Ньютона объясняла это гравитационным притяжением. Когда пространство-время не плоское, траектории объектов выглядят изогнутыми, и создается впечатление, что на них действует какая-то сила.

Общая теория относительности Эйнштейна повторяет специальную теорию относительности для условий, при которых отсутствует гравитация, и дает почти такие же прогнозы, что и закон всемирного тяготения Ньютона при слабой гравитации нашей Солнечной системы, — но не полностью такие. Если бы общая теория относительности не учитывалась спутниковой навигационной системой ОР8, то ошибки в определении положения объектов на земной поверхности накапливались бы со скоростью примерно 10 километров каждый день! Однако подлинная ценность общей теории относительности не в том, что она используется в устройствах, которые помогают вам отыскивать путь к новым ресторанам, а в том, что это совершенно иная модель Вселенной, которая дает прогнозы новых явлений, таких как гравитационные волны и черные дыры. Так общая теория относительности превратила физику в геометрию. Современные технические устройства обладают достаточной чувствительностью для того, чтобы провести различные высокоточные проверки общей теории относительности, и она выдержала все их.

Хотя теория электромагнетизма Максвелла и теория гравитации Эйнштейна (общая теория относительности) совершили революцию в физике, обе они, как и Ньютонова физика, представляют собой классические теории, то есть обе являются моделями, в которых Вселенная имеет единственную историю. Но, как мы рассмотрели в главе 4, на атомном и субатомном уровнях эти модели не согласуются с наблюдениями и вместо них приходится прибегать к квантовым теориям, где Вселенная может иметь любую возможную историю, у каждой из которых своя собственная интенсивность или амплитуда вероятности [2] . Для практических расчетов в повседневной жизни мы по-прежнему можем пользоваться классическими теориями, но если нам хочется понять поведение атомов и молекул, то необходима квантовая версия теории электромагнетизма

Максвелла. Если же мы хотим понять природу ранней Вселенной, когда вся материя и энергия были сжаты в малом объеме, то потребуется квантовая версия общей теории относительности. Эти теории нужны нам еще и потому, что если мы хотим прийти к фундаментальному пониманию природы, то было бы непоследовательно, если одни законы будут квантовые, а другие классические. Поэтому мы должны найти квантовые версии всех законов природы. Они называются квантовополевыми теориями.

2

Амплитуда вероятности — в квантовой теории комплексное число, квадрат абсолютного значения которого дает вероятность.

Все известные фундаментальные взаимодействия в природе (природные силы) можно разделить на четыре класса:

1. Гравитация.Это самая слабая из четырех сил, но ее действие простирается на дальние расстояния. Она влияет на всё во Вселенной как тяготение (притяжение). Это означает, что для больших тел все гравитационные воздействия складываются и могут преобладать над другими силами.

2. Электромагнетизм.Это тоже дальнодействующая сила, она гораздо сильнее, чем гравитация, но воздействует только на частицы с электрическим зарядом, отталкивая одноименные заряды и притягивая разноименные. Это означает, что электрические взаимодействия между большими телами гасят друг друга, но на уровне атомов и молекул они преобладают. Электромагнитные силы ответственны за всё в химии и биологии.

3. Слабое ядерное взаимодействие.Оно вызывает радиоактивность и играет определяющую роль в образовании химических элементов внутри звезд и в ранней Вселенной. Однако в повседневной жизни мы не входим в контакт с этой силой.

4. Сильное ядерное взаимодействие.Эта сила удерживает протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Она также удерживает от распада сами протоны и нейтроны, что необходимо, поскольку они состоят из еще более мелких частиц — кварков, о которых мы упоминали в главе 3. Сильное ядерное взаимодействие — это источник энергии для Солнца и ядерной энергетики, но с этим взаимодействием, также, как и со слабым, мы непосредственно не сталкиваемся.

Первое из фундаментальных взаимодействий (природных сил), для которого была создана квантовая версия, это электромагнетизм. Квантовая теория электромагнитного поля, называемая квантовой электродинамикой (КЭД), была разработана в 1940-х годах Ричардом Фейнманом и рядом других физиков. КЭД стала моделью для всех квантовополевых теорий. Как мы уже говорили, согласно классическим теориям, силы передаются посредством полей. Но в квантовополевых теориях силовые поля состоят из различных элементарных частиц, названных бозонами. Эти переносящие энергию частицы перемещаются туда-сюда между частицами материи, передавая силу. Частицы материи называются фермионами. Электроны и кварки — это примеры фермионов. Фотон, или частица света, — это пример бозона. Бозон передает электромагнитную силу. Происходит следующее: частица материи, например электрон, испускает бозон (частицу силы) и отскакивает в противоположном направлении, подобно тому как пушка подается назад после выстрела. Частица силы затем сталкивается с другой частицей материи и поглощается ею, изменяя движение этой частицы материи. Согласно КЭД, все взаимодействия между заряженными частицами (частицами, реагирующими на электромагнитную силу) описываются как обмен фотонами.

Предсказания КЭД были проверены и с большой точностью совпали с результатами экспериментов. Но выполнение математических расчетов, необходимых для КЭД, может оказаться затруднительным. Проблема, как мы увидим далее, в том, что когда вы добавляете к вышеупомянутой схеме обмена частицами квантовое требование рассматривать все истории, по которым это взаимодействие может произойти (например, все траектории, по которым силовые частицы могут быть обменяны), то математические расчеты становятся сложными. К счастью, вместе с изобретением нового понятия в квантовых теориях, названного «альтернативные истории» (оно описано в последней главе), Фейнман разработал также лаконичный графический метод учета различных историй — метод, который сегодня используется не только в КЭД, но и во всех квантовополевых теориях.

Графический метод Фейнмана дает нам возможность с помощью простых изображений наглядно показать каждую составляющую в сумме всех возможных историй (или, как еще говорят, в сумме по историям). Эти изображения, названные диаграммами Фейнмана, стали одним из важнейших инструментов современной физики. В КЭД сумму по всем возможным историям можно представить как сумму по диаграммам Фейнмана, подобным тем, что показаны на иллюстрации (с. 121).

Диаграммы Фейнмана. Эти диаграммы иллюстрируют процесс, в котором два электрона разлетаются друг от друга.