Несмотря на то что традиционная физика представлена в этой книге с довольно необычной точки зрения, в целом это не вызывает споров. Однако та часть книги, которая касается современных исследований по квантовой гравитации, отражает мое личное понимание состояния изученности этой темы. Эта область знания находится на границе между тем, что мы понимаем, и тем, чего еще не понимаем, поэтому нам еще очень далеко до достижения консенсуса по основным связанным с ней вопросам. Некоторые из моих коллег-физиков согласятся с тем, что я написал в этой книге, другие – не согласятся. Это обычная ситуация для актуальных исследований, ведущихся на границах нашего знания, но я предпочитаю говорить об этом ясно и открыто. Эта книга не о том, в чем мы уверены; эта книга – о приключениях на пути к непознанному.
В целом она о путешествии, посвященная одному из самых впечатляющих приключений, выпавших на долю человечества: путешествию за пределы парохиальных взглядов на реальность ко все более глубокому пониманию строения вещей. И это невероятное путешествие за пределы обыденной картины мира еще далеко не закончено.
Предисловие. Прогулка вдоль берега
Мы зациклены на себе. Мы изучаем свою историю, свою психологию, свою философию, своих богов. Большая часть нашего знания обращается вокруг самого человека, как если бы он был самым важным объектом во Вселенной. Я думаю, что физика нравится мне потому, что приоткрывает завесу, за которой можно увидеть нечто большее. Она дает мне чувство свежего воздуха, задувающего в окно.
То, что мы видим через это окно, постоянно нас удивляет. Мы уже многое знаем о Вселенной. За прошедшие столетия мы стали понимать, как много ошибочных идей было у человечества. Мы думали, что Земля плоская и что она покоится в центре нашего мира, что Вселенная маленькая и неизменная, что человек был создан отдельно, безо всякого родства с другими животными. Но постепенно мы узнали о существовании кварков, черных дыр, частиц света, волн пространства и невероятных молекулярных структур в каждой клетке нашего тела. Человечество похоже на подрастающего ребенка, который с удивлением обнаруживает, что мир не ограничивается его спальней и детской площадкой, что он огромен и в нем есть тысячи явлений, ждущих открытия, а также бесчисленные идеи, разительно отличающиеся от тех, что были у него вначале. Вселенная многообразна и безгранична, и мы продолжаем ошибаться, сталкиваясь с ее новыми аспектами. Чем больше мы узнаём о мире, тем больше поражаемся его разнообразию, красоте и простоте.
Но чем больше мы узнаем, тем лучше понимаем, что непознанное во много раз больше всего того, что мы уже знаем. Чем мощнее становятся наши телескопы, тем более странными и неожиданными предстают перед нами небеса. Чем пристальнее мы всматриваемся в мельчайшие элементы материи, тем больше глубин открывается нам в ее строении. Сегодня мы проникли в историю Вселенной почти до самого Большого взрыва – великого катаклизма, в котором 14 миллиардов лет назад были рождены все галактики, – но мы уже начали замечать нечто большее, чем Большой взрыв. Мы знаем, что пространство искривлено, и уже предвидим, что это пространство сплетено из вибрирующих квантовых волокон.
Наше знание элементарной грамматики Вселенной продолжает расширяться. Если попробовать объединить все, что мы узнали о физическом мире в XX веке, то начнет складываться картина, глубоко отличающаяся от того, чему нас учили в школе. Фундаментальная структура нашего мира возникает как порождение множества квантовых событий в отсутствие времени и пространства. Квантовые поля генерируют пространство, время, материю и свет, вызывая обмен информацией между событиями. Реальность – это сеть отдельных событий; динамика, которая их соединяет, – вероятностна; между отдельными событиями пространство, время, материя и энергия превращаются в облако вероятностей.
Этот странный новый мир медленно открывается перед нами благодаря исследованиям главной темы фундаментальной физики – квантовой гравитации. Задача этих исследований – целостно объединить то, что мы узнали о мире из двух величайших открытий физики XX века – общей теории относительности и квантовой теории. Квантовая гравитация – странный мир, который раскрывается в ходе этих исследований, – и есть основная тема этой книги.
Эта книга – живое описание ведущихся исследований: того, что мы изучаем, того, что уже знаем, и того, что, как нам кажется, мы начинаем понимать о фундаментальной природе вещей. Мы начнем издалека, с происхождения некоторых ключевых идей, служащих для упорядочения современного понимания мира, и с описания двух великих открытий XX века – эйнштейновской теории относительности и квантовой механики, и постараемся сфокусироваться на их основном физическом содержании. Мы расскажем о той картине мира, которая рождается сегодня в исследованиях по квантовой гравитации, с учетом последних данных, предоставленных нам Природой, таких как подтверждение стандартной космологической модели, полученное с помощью спутника «Планк», и неудачных попыток пронаблюдать суперсимметричные частицы, зарегистрировать которые многие надеялись в ЦЕРНе. Затем мы поговорим о следствиях из этих идей – дискретной структуре пространства, исчезновении времени в малых масштабах, физике Большого взрыва, происхождении излучения черных дыр и, в конечном счете, о роли информации в основаниях физики.
В знаменитой притче, рассказанной Платоном в седьмой книге «Государства», узники, прикованные в глубине темной пещеры, видят только тени, отбрасываемые на стену горящим позади них огнем. Они думают, что это и есть реальность. Один из них освобождается, выходит из пещеры и открывает для себя свет солнца и огромный мир. В первый момент свет, к которому его глаза непривычны, ошеломляет его и приводит в замешательство. Но в конце концов он оказывается способен видеть и в волнении возвращается к своим товарищам, чтобы рассказать им о том, что ему открылось. Но они отказываются ему верить.
Мы все находимся в глубине пещеры, скованные нашим незнанием и нашими предубеждениями, а наши слабые глаза дают нам увидеть только тени. Пытаясь заглянуть дальше, мы приходим в замешательство – для нас слишком необычно то, что открывается перед нами. Но мы пытаемся идти дальше. Это и есть наука. Научное мышление исследует и пересматривает картину мира, постепенно предлагая нам все более совершенное видение и более эффективные мыслительные ходы. Наука – это непрерывное исследование способов мышления. Ее сила состоит в способности эффективно разрушать предубеждения, открывать новые области реальности и строить неожиданные, более совершенные представления о мире. Это деятельность, которая опирается на всю совокупность прошлого знания, но суть ее состоит в изменениях. Наш мир безграничен и многоцветен; мы хотим рассмотреть его как можно лучше. Неполнота и ненадежность нашего знания, неуверенность, порождаемая необозримостью бездны непознанного, вовсе не делают жизнь бессмысленной – они делают ее интересной и драгоценной.
Я написал эту книгу, чтобы рассказать о том, что восхищает меня в этом приключении. Своего читателя я представлял человеком, который мало или даже ничего не знает о современной физике, но ему интересно все, что мы уже знаем и чего еще не знаем о фундаментальной природе нашего мира, а также то, каким образом мы ведем свои поиски. Я хотел поделиться захватывающей красотой той панорамы реальности, которая открывается перед нами в результате этих поисков.
Я писал эту книгу и для своих коллег, своих спутников, разбросанных по всему миру, а также для юношей и девушек, восхищенных наукой и планирующих впервые присоединиться к этому путешествию. Я хотел представить им общую картину и строение физического мира, каким он видится в двойном свете релятивизма и квантовой физики, и показать, как их можно объединить. Эта книга не только раскрывает тайны Вселенной, но также обозначает определенную точку зрения в области исследований, где абстракции и технические детали иногда становятся помехой для широкого взгляда. Наука состоит из экспериментов, гипотез, уравнений, вычислений и продолжительных дискуссий; но это лишь средства достижения цели, подобно инструментам для музыкантов. В конечном счете, для музыки важна сама музыка, а для науки важно понимание мира, которое она обеспечивает. Чтобы понять значимость открытия того, что Земля обращается вокруг Солнца, не обязательно следовать за сложными вычислениями Коперника; для понимания важности открытия того, что все живые существа на нашей планете имеют общих предков, необязательно прослеживать сложную аргументацию книг Дарвина. Суть науки состоит в понимании нашего мира со всё более широкой точки зрения.
Эта книга отражает мое текущее понимание того, в каком состоянии находятся сейчас наши поиски новой картины мира. Именно так я ответил бы коллеге и другу, который, прогуливаясь долгим летним вечером по берегу моря, задал бы мне вопрос: «Так что же ты думаешь об истинной природе вещей?»
Часть IКорни
Сюжет этой книги начинается 26 столетий назад в Милете. Почему разговор о квантовой гравитации отталкивается от столь древних событий, людей и идей? Я надеюсь, что читатель, горящий желанием достичь понимания квантов пространства, не будет иметь ничего против. Идеи проще понять, начиная с тех корней, из которых они выросли, а значительное число идей, которые помогли нам в деле постижения нашего мира, возникли более двух тысяч лет назад. Эти идеи станут намного понятнее, если мы проследим за их рождением; в этом случае все дальнейшие шаги окажутся проще и естественнее.
Но есть еще один важный момент. Некоторые проблемы, впервые поставленные в Античную эпоху, продолжают оставаться ключевыми для нашего понимания мира. Некоторые из самых современных идей о структуре пространства используют представления и подходы, впервые появившиеся в то время. Говоря о тех далеких идеях, я имею в виду вопросы, которые станут ключевыми для квантовой гравитации.