Часть II. Невозможности II класса
11. Быстрее света
Вполне можно себе представить, что [жизнь] со временем распространится по всей Галактике и за ее пределами. Так что жизнь, возможно, не всегда будет оставаться для Вселенной незначительным посторонним включением, хотя в настоящее время ситуация именно такова. Откровенно говоря, мне такая перспектива кажется очень заманчивой.
Королевский астроном сэр Мартин Рис
Путешествовать быстрее света невозможно, да и ни к чему, слишком уж часто слетает шляпа.
Вуди Аллен
В «Звездных войнах» есть такой эпизод. «Тысячелетний сокол» с героями — Люком Скайуокером и Ханом Соло — на борту взлетает с пустынной планеты Татуин и встречает на околопланетной орбите эскадру имперских боевых кораблей. Имперцы начинают обстреливать корабль наших героев из боевых лазеров, залпы которых неизменно пробивают его защитное поле. Силы не равны, «Сокол» откровенно проигрывает противнику в огневой мощи. Хан Соло бросает корабль из стороны в сторону, уклоняясь от огня, и кричит, что их единственная надежда — прыжок в «гиперпространство». В последний момент гиперпространственные двигатели срабатывают. Все звезды вокруг внезапно «взрываются» слепящими сходящимися лучами и устремляются к центру обзорного экрана. Открывается «дыра», через которую «Тысячелетний сокол» устремляется к гиперпространству и свободе.
Фантастика? Конечно. Но может ли быть, что она основана на научных фактах? Быть может. Путешествия быстрее света всегда были одной из ключевых тем научной фантастики, но в последнее время и физики начали всерьез задумываться о возможности таких путешествий.
Согласно Эйнштейну, скорость света представляет собой абсолютный предел скорости, быстрее которого не может двигаться ничто во Вселенной. Даже самые мощные наши ускорители, способные придавать частицам невероятные энергии — частицы с такой энергией можно обнаружить только в центре взрывающейся звезды или, скажем, в момент Большого взрыва, — не могут разогнать элементарные частицы до скорости, превышающей скорость света. Очевидно, скорость света — абсолютный гаишник Вселенной. Но если это так, все наши надежды добраться когда-нибудь до отдаленных галактик ничего не стоят.
А может быть, все не так грустно…
Эйнштейн-неудачник
В 1902 г. мало кто мог бы предсказать, что молодой физик Альберт Эйнштейн будет признан величайшим физиком со времен Исаака Ньютона. Скорее, наоборот, этот год стал одним из самых неудачных в его жизни. Свежеиспеченный кандидат на получение степени доктора философии не смог поступить на преподавательскую должность ни в одном из университетов, в которые обращался. (Позже он узнал, что его профессор Генрих Вебер написал для него ужасные рекомендательные письма, возможно, в отместку за многочисленные занятия, сорванные по вине строптивого студента.) Мало того, мать Эйнштейна была настроена категорически против его подружки Милевы Марич, которая в тот момент была беременна его ребенком. В результате их первая дочь Лизерль родилась вне брака. Не везло молодому Альберту и с временной работой — внезапно его уволили даже с жалкой должности подменного учителя. В тоскливых письмах того времени встречаются размышления о том, не заняться ли ему торговлей, чтобы заработать на жизнь. Он даже пишет родным, что лучше бы ему никогда не родиться, — ведь он тяжкая обуза для семьи и не имеет никаких шансов на успех в жизни. Когда умер его отец, Эйнштейн испытал стыд; отец умер, считая сына полным неудачником.
Но чуть позже в том же 1902 г. удача повернулась к Эйнштейну лицом. Друг помог ему поступить экспертом в Швейцарское патентное бюро. Именно на этом скромном посту он и начал величайшую революцию современной физики. Анализ изобретений не занимал много времени, и Эйнштейн часами размышлял о проблемах физики, которые занимали его с детства.
В чем секрет его гения? Возможно, одной из ключевых черт таланта Эйнштейна была его способность думать в терминах физической картины (представлять себе движущиеся поезда, ускоряющиеся часы, растянутое полотно и т. п.), а не чистой математики. Сам Эйнштейн однажды сказал, что, если некую теорию нельзя объяснить ребенку, она, скорее всего, бесполезна; это значит, что суть теории должна выражаться той самой физической картиной. Сколько физиков заблудились в дебрях математики, которая сама по себе никуда не ведет! Но Эйнштейн, как прежде Ньютон, не мог без физической картины; математика появлялась потом. Для Ньютона физическую картину олицетворяли падающее яблоко и Луна. Одни и те же силы заставляют яблоко падать, а Луну ходить по своей орбите или разные? Когда Ньютон решил, что эти силы идентичны, он выстроил математическое здание Вселенной и неожиданно раскрыл величайшую тайну небес, законы движения самих небесных тел.
Эйнштейн и относительность
Альберт Эйнштейн предложил знаменитую теорию относительности в 1905 г. В центре его теории — картинка, понятная даже ребенку. Эта теория стала ярчайшим выражением мечты, владевшей Эйнштейном с 16 лет; он тогда задал себе судьбоносный вопрос: что произойдет, если обогнать луч света? Уже юношей он знал, что движение объектов на Земле и в небесах подчиняется механике Ньютона, а свет описывается теорией Максвелла. На тот момент вся физика стояла именно на этих двух столпах.
Эйнштейн первым понял, что «столпы» противоречат друг другу; может быть, в этом и состоит сущность его гения. Один из столпов должен был пасть.
Согласно Ньютону, обогнать свет можно без особого труда — ведь ни сам свет, ни его скорость не представляют собой ничего особенного. Это означало, что если вы будете нестись рядом с лучом света со скоростью, равной его скорости, то луч в вашей системе координат остановится. Но Эйнштейн еще в юности понял, что никто никогда не видел неподвижной световой волны — и вообще непонятно, как ее можно остановить. А значит, решил он, механика Ньютона здесь не работает.
В конце концов Эйнштейн нашел ответ на этот вопрос; он был тогда студентом в Цюрихе и изучал теорию Максвелла. Он обнаружил факт, которого не знал даже Максвелл: что скорость света постоянна и не зависит от скорости вашего движения. Не важно, будете ли вы нестись прочь от светового луча или догонять его, сам он будет двигаться с прежней скоростью, но это, вообще говоря, противоречит здравому смыслу. Эйнштейн нашел ответ на свой детский вопрос: невозможно лететь рядом со световым лучом, потому что он всегда удаляется от вас с одинаковой скоростью, как бы быстро ни двигались вы сами.
Но ньютонова механика — сложная система с прочными и жесткими связями: если потянуть за свободный кончик, т. е. хоть немного изменить исходные данные, вся система рассыплется. В теории Ньютона время в любой точке Вселенной течет одинаково. Одна секунда на Земле в точности равна одной секунде на Марсе или Венере. Точно так же метр на Земле имеет в точности ту же длину, что метр на Плутоне. Но если предположить, что скорость света постоянна и не зависит от скорости движения наблюдателя, то надо полностью менять представления о пространстве и времени. Чтобы скорость света оставалась постоянной, и пространство, и время необходимо было серьезно исказить.
Согласно Эйнштейну, если вы находитесь в быстро летящем космическом корабле, ход времени в нем замедляется по отношению к земному времени. Время в корабле и на Земле идет с разной скоростью, в зависимости от того, насколько быстро движется корабль. Мало того, пространство внутри корабля сжимается, и в зависимости от скорости его движения метр может изменять свою длину, а масса корабля увеличивается. Если бы мы заглянули в такой космический корабль, скажем, при помощи телескопа, мы бы увидели, что часы идут медленно, и люди — сплющенные по ходу движения корабля — двигаются тоже замедленно.
Вообще говоря, если бы ракета летела со скоростью света, то время в ней, по всей видимости, остановилось бы, сама она схлопнулась бы до нулевой длины, а масса ее стала бы бесконечной. Поскольку все это представляется невыполнимым и противоречит здравому смыслу, Эйнштейн объявил, что световой барьер преодолеть невозможно. (Тот факт, что объект становится тем тяжелее, чем быстрее он движется, означает, что энергия движения переходит в массу. Точное количество энергии, которая при этом превращается в массу, посчитать несложно — всего за несколько строк преобразований можно получить знаменитое уравнение Е = mc2.)
С тех пор как Эйнштейн вывел свое прославленное уравнение, его революционные идеи нашли подтверждение буквально в миллионах экспериментов. К примеру, система GPS, способная определить ваше положение на Земле с точностью до нескольких метров, не сможет работать, если не вводить в нее релятивистские поправки. (Поскольку военные теперь тоже зависят от системы GPS, физикам пришлось вводить в курс теории относительности Эйнштейна даже генералов Пентагона.) Часы GPS действительно замедляются при движении спутников по орбите, как и предсказывал Эйнштейн.
Самое наглядное подтверждение справедливости этой концепции можно найти в ускорителях, где ученые разгоняют частицы до околосветовых скоростей. На гигантском ускорителе CERN, построенном в Швейцарии недалеко от Женевы, — Большом адронном коллайдере — протоны ускоряются до нескольких триллионов электрон-вольт и приближаются вплотную к скорости света.
Для ученого-ракетчика световой барьер пока не представляет насущной проблемы, ведь скорости современных ракет составляют всего лишь 10–15 км/с. Но лет через сто или двести, когда ученые всерьез задумаются об отправке зондов к ближайшей звезде (которую отделяют от Земли четыре с небольшим световых года), световой барьер, скорее всего, постепенно превратится в проблему.
Лазейки в теории Эйнштейна
Несколько десятилетий физики пытаются отыскать в знаменитом постулате Эйнштейна хоть какие-то лазейки. Кое-что удалось обнаружить, но в большинстве своем эти лазейки не слишком полезны практически. К примеру, если провести по небосводу лучом фонарика, то в принципе световой зайчик от луча может двигаться быстрее света. За несколько секунд образ светового луча проходит расстояние между противоположными точками горизонта, составляющее, вообще говоря, сотни световых лет. Но это не имеет значения, так как таким образом невозможно передать какую бы то ни было информацию. Получается, что образ светового луча превысил скорость света, но образ как таковой не несет ни энергии, ни информации.
Точно так же, если взглянуть на ножницы, то можно заметить, что точка встречи лезвий движется тем быстрее, чем дальше мы уходим от «гвоздика». Если представить себе ножницы длиной, скажем, в один световой год, то при их закрывании точка встречи лезвий будет двигаться быстрее света. (Это опять же не имеет значения, так как точка встречи лезвий не несет ни энергии, ни информации, а значит, таким образом невозможно ничего передать.)
Еще пример. Как я уже упоминал в главе 4, эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) в принципе позволяет посылать информацию со скоростью, превышающей скорость света. (Напомню: в этом эксперименте два электрона, которые колеблются в унисон, увозят затем в противоположных направлениях. Поскольку эти электроны когерентны, информация между ними может передаваться со скоростью, превышающей скорость света, но эта информация случайна и потому бесполезна. Поэтому ЭПР-машины невозможно использовать для отправки зондов к далеким звездам.)
Физики считают, что на самую важную лазейку в своей теории указал сам Эйнштейн. В 1915 г. он создал общую теорию относительности, еще более мощную, чем специальная теория относительности. Первые ростки новой теории возникли у Эйнштейна, когда он наблюдал за движением детской карусели. Как мы уже говорили, при приближении к скорости света объекты сжимаются. Чем быстрее мы движемся, тем сильнее сжимаемся. Но во вращающемся диске внешние слои движутся быстрее, чем внутренние. (А центр практически остается на месте.) Это означает, что линейка, помещенная на край диска, должна будет сжаться, а такая же линейка ближе к центру останется почти неизменной, — а значит, поверхность карусели будет уже не плоской, а вогнутой. Сделаем вывод; ускорение карусели искривляет на ней пространство и время.
В общей теории относительности пространство-время можно сравнить с полотном, которое может сжиматься и растягиваться. При определенных обстоятельствах это полотно может растягиваться быстрее скорости света. К примеру, представьте себе Большой взрыв — 13,7 млрд лет назад в гигантском космическом взрыве родилась наша Вселенная. Можно подсчитать, что первоначально Вселенная расширялась быстрее скорости света. (Это не противоречит специальной теории относительности, так как расширялось пустое — межзвездное — пространство, а не сами звезды. Расширение пустого пространства не несет никакой информации.)
Самое важное в этой ситуации то, что специальная теория относительности применима только локально, т. е. в ближайшей окрестности наблюдателя. В нашей ближайшей окрестности (к примеру, в Солнечной системе) она работает, в чем мы легко можем убедиться по данным наших космических зондов. Но глобально (т. е. в космологическом масштабе, в масштабе Вселенной) мы должны пользоваться не специальной, а общей теорией относительности. В ней пространство-время превращается в ткань, и ткань эта способна растягиваться быстрее света. Кроме того, она допускает существование «пространственных дыр», которые позволяют мгновенно преодолевать пространство и время.
Значит, один из способов путешествовать быстрее скорости света — воспользоваться общей теорией относительности. Сделать это можно двумя способами.
1. Растянуть пространство. Если бы мы научились растягивать пространство позади себя и сжимать пространство впереди, впечатление бы возникло такое, как будто мы переместились из одного места в другое быстрее света. На самом деле мы не двигались бы вообще. Но деформация пространства впереди и позади корабля позволила бы нам в мгновение ока добраться до отдаленных звезд.
2. Разорвать пространство. В 1935 г. Эйнштейн ввел понятие «кротовая нора». Представьте себе зеркало Алисы — волшебное устройство, соединяющее между собой окрестности Оксфорда и Страну чудес. Кротовая нора — это «устройство», способное служить связующим звеном между двумя вселенными. В школе мы узнали, что кратчайшее расстояние между двумя точками — прямая. Но это не обязательно так; если свернуть лист бумаги так, чтобы точки соединились, то кратчайшим расстоянием между ними как раз и станет кротовая нора.
Как говорит физик Мэтт Виссер из Вашингтонского университета, «сообщество релятивистов задумалось о том, что нужно сделать, чтобы вывести двигатель деформации пространства или кротовые норы из категории научной фантастики».
А сэр Мартин Рис, королевский астроном Великобритании, говорит даже так: «Кротовые норы, дополнительные измерения и квантовые компьютеры открывают путь для множества гипотетических сценариев, которые когда-нибудь, возможно, превратят всю нашу Вселенную в „живой космос“».
Двигатель Алькубьерре и отрицательная энергия
Наилучший пример растягивания пространства — двигатель Алькубьерре, предложенный в 1994 г. физиком Мигелем Алькубьерре с использованием теории тяготения Эйнштейна. По сути, это именно тот двигатель, какой фигурирует в сериале «Звездный путь». Пилот подобного звездолета находится в пузыре (защищающем его и сам звездолет от деформации пространства); внутри пузыря все выглядит обычно, даже когда звездолет преодолевает световой барьер. Более того, пилоту кажется, что ничего не происходит. На самом же деле вне пузыря пространство-время претерпевает сильные искажения; пространство перед пузырем сжимается. Внутри пузыря время не растягивается и продолжает идти нормально.
Алькубьерре признает, что при разработке проекта двигателя «Звездный путь» сыграл немалую роль. «Герои сериала постоянно говорят о деформационном двигателе, о концепции искусственного искажения пространства, — говорит он. — Теория того, как можно и как нельзя искажать пространство, у нас уже была, это общая теория относительности. Я подумал, что должен быть какой-то способ посмотреть при помощи этих концепций, как должен в действительности работать деформационный двигатель». Вероятно, это первый случай, когда телешоу вдохновило ученого и помогло найти решение одного из эйнштейновых уравнений.
Алькубьерре считает, что путешествие на предлагаемом им звездолете будет похоже на полет на «Тысячелетнем соколе» в «Звездных войнах». «Мне кажется, что экипаж, вероятно, должен увидеть что-то похожее. Звезды впереди корабля превратятся в длинные линии, штрихи. Позади не будет видно вообще ничего — только чернота, потому что свет звезд не сможет двигаться достаточно быстро, чтобы догнать звездолет», — говорит ученый.
Ключевым моментом в двигателе Алькубьерре является энергия, при помощи которой звездолет разгоняется до сверхсветовых скоростей. Обычно физики говорят о корабле, обладающем для начала некоторым положительным количеством энергии; эта энергия тратится на разгон корабля, который всегда движется медленнее света. Чтобы выйти за рамки этих условий и двигаться быстрее света, придется поменять топливо. Обычный расчет показывает, что нам потребуется «отрицательная масса» или «отрицательная энергия» — самые экзотические, вероятно, объекты во Вселенной, если они вообще существуют. Раньше физики отбрасывали любые разговоры об отрицательной энергии и отрицательной массе как откровенно фантастические. Но теперь стало ясно, что, во-первых, в путешествиях со сверхсветовыми скоростями без них никак не обойтись, а во-вторых, они вполне могут существовать в действительности.
Ученые ищут отрицательное вещество в природе, но пока безуспешно. (Антивещество и отрицательное вещество — совершенно разные вещи. Первое определенно существует и обладает положительной энергией, но противоположным зарядом. Существование отрицательного вещества до сих пор не доказано.) Отрицательное вещество должно обладать очень необычными свойствами; к примеру, оно должно быть легче пустоты. Более того, оно должно летать. Если отрицательное вещество существовало в начале времен, то при рождении Вселенной оно должно было уйти в глубины пространства. В отличие от метеоритов, которые при случае обрушиваются на планеты под действием сил притяжения, отрицательное вещество должно убегать от планет. Его должны отталкивать, а не притягивать любые крупные тела, такие как звезды или планеты. Поэтому, хотя отрицательное вещество вполне может существовать в действительности, обнаружить его можно, скорее всего, только в глубоком космосе — и уж точно не на Земле.
В одном из проектов поиска отрицательного вещества в открытом космосе предлагается воспользоваться явлением, известным как линза Эйнштейна. Когда свет проходит мимо звезды или галактики, его траектория искажается под действием гравитационных сил в соответствии с общей теорией относительности. В 1912 г. Эйнштейн (даже не закончив еще работу над общей теорией относительности) предсказал, что галактика может работать как линза телескопа. Свет отдаленного объекта, огибая близлежащую галактику, как если бы это была линза, собирается за ней в пучок и образует характерную интерференционную картину из концентрических окружностей. В таком виде он доходит и до Земли. В настоящее время подобные явления называют кольцами Эйнштейна.
Первая линза Эйнштейна была обнаружена астрономами в космосе в 1979 г. С тех пор подобные объекты успели стать для астрономов незаменимым инструментом. Вот лишь один пример. Когда-то считалось, что невозможно обнаружить в космосе скрытую массу. (Скрытая масса, известная также как темная материя, — загадочная невидимая, но вполне массивная субстанция. Она окружает галактики и, возможно, во Вселенной ее раз в десять больше, чем обычной видимой материи.) Но ученые NASA сумели составить карты распределения в пространстве скрытой массы, так как она отклоняет свет при прохождении через нее точно так же, как стекло искривляет свет.
Итак, теоретически линзы Эйнштейна должны помочь ученым в поисках отрицательного вещества и кротовых нор. Они должны определенным образом искажать траекторию света — и космический телескоп имени Хаббла должен быть в состоянии зарегистрировать такие искажения. До сих пор не удалось обнаружить ни отрицательного вещества, ни кротовых нор, но поиски продолжаются. И если в один прекрасный день детекторы космического телескопа зафиксируют в одной из эйнштейновых линз присутствие отрицательного вещества или кротовой норы, весь мир физики почувствует на себе поразительные последствия этого открытия.
Отрицательная энергия отличается от отрицательного вещества тем, что достоверно существует, хотя и в крошечных количествах. В 1933 г. Хендрик Казимир, опираясь на законы квантовой теории, сделал очень необычное предсказание. Он утверждал, что две незаряженные параллельные металлические пластины будут притягиваться друг к другу как по волшебству. Обычно параллельные пластины никак не влияют друг на друга, поскольку не обладают суммарным зарядом. Но вакуум между двумя такими пластинами на самом деле не пуст; он полон «виртуальных частиц», возникающих и тут же исчезающих снова.
На мгновение из пустоты возникают пары электрон-позитрон — и тут же аннигилируют, снова растворяясь в вакууме. Как ни странно, пустота, которую когда-то считали лишенной чего бы то ни было, на самом деле наполнена квантовыми событиями. Здравый смысл подсказывает, что крохотные всплески с одновременным образованием вещества и антивещества нарушают закон сохранения энергии. Но, согласно принципу неопределенности, эти всплески невероятно кратковременны, и в среднем энергия по-прежнему сохраняется.
Казимир обнаружил, что множество виртуальных частиц создает в вакууме ненулевое суммарное давление. Пространство между двумя параллельными пластинами ограничено, поэтому и давление виртуальных частиц там невелико. А вот снаружи пластин места много и им ничто не мешает «развернуться» как следует, поэтому и давление там выше; в сумме же возникает сила, которая толкает пластины друг к другу.
В обычных обстоятельствах — когда пластины находятся в покое и разделены значительным расстоянием — наблюдается состояние с нулевой энергией. Но если сблизить пластины, они начнут притягиваться и из них можно извлечь некоторое количество энергии. После этого, поскольку у пластин отняли кинетическую энергию, их собственная энергия становится меньше, чем ноль, т. е. отрицательной.
Отрицательную энергию впервые удалось измерить в лаборатории в 1948 г., и результат полностью подтвердил предсказание Казимира. Теперь отрицательная энергия и эффект Казимира рассматривались уже не как научная фантастика, а как установленный факт. Проблема, однако, состоит в том, что эффект Казимира очень слаб; чтобы обнаружить эту энергию в лаборатории, необходимо пользоваться точнейшим и новейшим измерительным оборудованием. (В целом энергия Казимира обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между пластинами. Это означает, что чем меньше это расстояние, тем больше энергия.) Точно эффект Казимира измерил в 1996 г, Стивен Ламоро из Лос-Аламосской национальной лаборатории; сила притяжения у него получилась в 30 000 раз меньше веса муравья.
С момента публикации теории Алькубьерре физики успели обнаружить у предложенного им звездолета немало странных свойств. К примеру, люди внутри корабля причинно изолированы от внешнего мира. Это означает, что невозможно просто нажать кнопку и полететь быстрее света. Вы не сможете поддерживать связь с внешним миром за пределами защитного пузыря. Должен существовать заранее проложенный «маршрут» через пространство и время, и тогда по нему корабли могут следовать один за другим, как поезда по расписанию. В этом смысле звездолет по Алькубьерре не будет обычным звездолетом и не сможет произвольно менять направление движения и скорость. Этот звездолет будет подобен вагону, который движется на заранее созданной «волне» сжатого пространства по заранее созданному коридору искаженного пространства-времени. Алькубьерре рассуждает так: «Нам потребуется серия генераторов экзотического вещества, расставленных вдоль трассы движения, как вдоль шоссе; эти генераторы будут синхронно управлять пространством так, как нужно».
Нельзя исключить, что в будущем будут обнаружены еще более странные и причудливые решения уравнений Эйнштейна. Сами уравнения говорят о том, что если дано определенное количество массы или энергии, то можно рассчитать искажение пространства-времени, которое вызовет эта масса или энергия (точно так же, бросив камень в воду, вы можете рассчитать круги, которые пойдут от него). Но эти уравнения можно применить и в обратном направлении. Можно начать с заданного состояния пространства-времени, каким бы странным оно ни казалось. В качестве примера можно привести причудливые миры сериала «Сумеречная зона». (В тех вселенных можно, к примеру, открыть дверь и оказаться на луне. Можно обежать вокруг дерева и оказаться в прошлом, а затем обнаружить к тому же, что сердце бьется с правой стороны.) Затем следует рассчитать распределение вещества и энергии, связанное с этим конкретным состоянием. (Точно так же, если задано странное распределение волн на поверхности воды, то можно произвести обратный расчет и определить, сколько, где и каких камней было брошено в пруд.)
Примерно таким образом, кстати говоря, Алькубьерре вывел свои уравнения. Он начал с пространства-времени, в котором допустимо движение со сверхсветовой скоростью, а затем провел обратный расчет и вычислил энергию, необходимую для получения такого пространства-времени.
Кротовые норы и черные дыры
Второй после растягивания пространства способ преодолеть световой барьер — это разорвать, или проколоть, пространство, т. е. пройти через кротовые норы, туннели, которые соединяют две вселенные. В литературе первое упоминание о кротовых норах принадлежит перу оксфордского математика Чарльза Доджсона, написавшего под псевдонимом Льюис Кэрролл сказку «Алиса в Зазеркалье». Зеркало Алисы и есть кротовая нора, которая соединила окрестности Оксфорда с волшебным миром Страны чудес. Протянув руку сквозь зеркало, Алиса может мгновенно перенестись из одной вселенной в другую. У математиков они называются «многократно связанными пространствами».
В физике концепция кротовых нор возникла в 1916 г. — всего через год после того, как Эйнштейн опубликовал свой великий труд — общую теорию относительности. Физик Карл Шварцшильд, служивший тогда в кайзеровской армии, нашел точное решение уравнений Эйнштейна для случая изолированной точечной звезды. Вдалеке от звезды ее гравитационное поле очень похоже на поле обычной звезды; Эйнштейн даже воспользовался решением Шварцшильда при вычислении отклонения траектории света около звезды. Результат Шварцшильда произвел немедленное и очень сильное действие на все разделы астрономии, и сегодня он по-прежнему остается одним из самых известных решений уравнений Эйнштейна. Несколько поколений физиков использовали гравитационное поле этой гипотетической точечной звезды в качестве приближенного выражения для поля вокруг реальной звезды с конечным диаметром.
Но если рассмотреть это точечное решение серьезно, то в центре его неожиданно обнаружится чудовищный точечный объект, который почти столетие изумлял и шокировал физиков, — черная дыра. Решение Шварцшильда для поля тяготения точечной звезды чем-то напоминает троянского коня. Снаружи оно выглядит как дар небес, а внутри скрывает всевозможных демонов и духов. Но если вы принимаете одно, то вынуждены принять и другое. Из решения Шварцшильда явствовало, что при приближении к пресловутой точечной звезде происходят странные вещи. Сама звезда окружена невидимой сферой (известной как «горизонт событий»), которая является своеобразной чертой невозврата. Все может проникнуть внутрь ее, но ничто не может выйти обратно. Однажды пройдя горизонт событий, вы уже не сможете вернуться назад. (Если вы находитесь внутри горизонта событий, вам, чтобы вновь оказаться снаружи, потребуется двигаться быстрее света, а это невозможно.)
При приближении к горизонту событий на атомы вашего тела начнут действовать приливные силы, растягивая их. Ваши ноги будут ощущать гораздо большую силу тяжести, чем ваша голова, поэтому вас сначала растянет до состояния спагетти, а затем просто разорвет. Точно так же произойдет с атомами вашего тела — они будут растянуты гравитацией, а затем разорваны.
Для внешнего наблюдателя ваше приближение к горизонту событий будет выглядеть так, как будто вы замедляетесь во времени. Более того, когда вы прикоснетесь к горизонту событий, наблюдателю покажется, что время остановилось!
Этого мало. Провалившись под горизонт событий, вы увидите свет, запертый внутри этой сферы и блуждающий внутри черной дыры миллиарды лет. Вы как будто увидите фильм, запечатлевший всю историю черной дыры, с самого момента ее рождения.
Наконец, если бы вам удалось пролететь черную дыру насквозь, там, с другой стороны, обнаружится иная вселенная. Это явление, впервые описанное Эйнштейном в 1935 г., носит название моста Эйнштейна-Розена; сейчас его называют еще кротовой норой.
Эйнштейн и другие физики были уверены, что ни одна звезда не сможет естественным образом превратиться в столь чудовищный объект. В 1939 г. Эйнштейн даже опубликовал статью, в которой показал, что вращающаяся газопылевая масса никогда не сконденсируется в подобную черную дыру. Поэтому, несмотря на притаившуюся в центре черной дыры кротовую нору, он был уверен, что ничто подобное в природе возникнуть не может. Астрофизик Артур Эддингтон как-то сказал, что «должен существовать закон природы, не позволяющий звездам вести себя столь нелепым образом». Другими словами, черная дыра, конечно, законное решение уравнений Эйнштейна, но механизм, посредством которого такая штука могла бы сформироваться естественным путем, неизвестен.
Ситуация кардинально изменилась с выходом в том же году статьи Роберта Оппенгеимера и его ученика Хартланда Снаидера; в этой работе ученые показали, что черные дыры все же могут формироваться естественным путем. Они предположили, что умирающая звезда, которая практически полностью истратила свое ядерное топливо, коллапсирует под действием гравитационных сил, т. е. схлопывается под собственной тяжестью. Если гравитация сможет сжать звезду до размеров, меньших, чем радиус горизонта событий, то дальше уже ничто на свете не сможет помешать ей сжать звезду в точку и превратить в черную дыру. (Вполне возможно, что рассмотренный здесь механизм коллапса подсказал Оппенгеймеру идеи, которые он через несколько лет использовал при создании бомбы для Нагасаки, при детонации которой используется взрывное обжатие плутониевого шара.)
Следующий прорыв имел место в 1963 г., когда новозеландский математик Рой Керр исследовал, возможно, самый реалистичный образчик черной дыры. Сжимаясь, объекты ускоряют свое вращение — примерно так же, как фигуристы начинают вращаться быстрее, когда прижимают руки к телу. Можно сделать вывод, что черные дыры должны вращаться с фантастическими скоростями.
Керр обнаружил, что вращающаяся черная дыра не схлопнется в точечную звезду, как предполагал Шварцшильд, а сожмется и образует вращающееся кольцо. Любой, кому не повезет и кто наткнется на это кольцо, погибнет; но тот, кто угодит в отверстие кольца, не умрет, а пройдет его насквозь. И окажется при этом не по другую сторону все того же кольца, а в другой вселенной, потому что, попав в кольцо, он пройдет по мосту Эйнштейна-Розена. Другими словами, вращающаяся черная дыра — это обод зеркала, сквозь которое проходила сказочная Алиса.
Если этот человек затем обогнет кольцо и пройдет через него еще раз, он окажется в следующей вселенной. Вообще, каждое последовательное прохождение через вращающееся кольцо приведет путешественника в очередную параллельную вселенную — примерно как нажатие кнопки «вверх» в лифте. В принципе может существовать бесконечное число вселенных, одна над другой. «Пройди сквозь это волшебное кольцо и — опа! — ты уже совершенно в другой вселенной, где радиус и масса отрицательны!» — писал Керр.
Но здесь есть очень важная ловушка. Черная дыра — хороший образец «необратимой кротовой норы»; а значит, через горизонт событий можно пройти только в одном направлении. Стоит миновать горизонт событий и кольцо Керра — и вы уже не сможете вернуться назад тем же путем.
Но в 1988 г. Кип Торн и его коллеги по Калифорнийскому технологическому рассчитали обратимую кротовую нору, т. е. такую, через которую можно свободно проходить в обоих направлениях, туда и обратно. Для одного из их решений путешествие через кротовую нору не опаснее полета на самолете!
В обычных условиях сила тяжести стремится раздавить и раздавит «трубку» кротовой норы, погубив при этом астронавтов, которые попытаются в этот момент достичь другого ее конца. Этого достаточно, чтобы сделать мгновенное перемещение через кротовые норы невозможным. Но можно предположить, что сила отталкивания, присущая отрицательной энергии или отрицательному веществу, сможет удержать трубку открытой на достаточный промежуток времени, чтобы астронавты успели миновать опасную зону. Другими словами, отрицательное вещество или отрицательная энергия совершенно необходимы и для двигателя Алькубьерре, и для схемы с использованием кротовых нор.
За последние несколько лет было обнаружено поразительное число точных решений уравнений Эйнштейна, допускающих существование кротовых нор. Но существуют ли они на самом деле? Или, может быть, это просто математическая фантазия? Кроме того, с кротовыми норами связано несколько серьезных проблем.
Во-первых, для создания сильных искажений пространства-времени, необходимых для путешествия через кротовые норы, потребуется неслыханное количество положительного и отрицательного вещества — порядка громадной звезды или черной дыры. По оценке Мэтью Виссера, физика из Вашингтонского университета, для создания кротовой норы диаметром 1 м необходимо столько отрицательной энергии, что ее количество можно сравнить с массой Юпитера — и при этом она должна быть отрицательной! Виссер говорит: «Для этой работы потребуется примерно минус одна масса Юпитера. А управлять даже положительной энергией, сравнимой с массой Юпитера, мягко говоря, непросто и выходит далеко за рамки наших возможностей в представимом будущем».
Кип Торн из Калифорнийского технологического института рассуждает так: «Похоже, что законы физики действительно разрешают существование экзотического вещества в количестве, достаточном для удержания в стабильном состоянии кротовой норы размером с человека. Но тут же выясняется, что технология строительства кротовых нор и удержания их в открытом состоянии для нас непредставима и находится далеко за пределами возможностей человеческой цивилизации».
Во-вторых, мы не знаем, насколько стабильными окажутся эти кротовые норы. Кроме того, излучение, которое будет в них генерироваться, может оказаться убийственным для любого, кто проникнет внутрь. А может быть, кротовые норы вообще будут нестабильны и станут схлопываться, стоит кому-нибудь или чему-нибудь попасть внутрь.
В-третьих, лучи света при проникновении в черную дыру будут испытывать синее смещение; это означает, что, подходя к горизонту событий, они будут приобретать все большую и большую энергию. Более того, на самом горизонте событий свет теоретически должен испытывать бесконечное голубое смещение и обладать бесконечной энергией, поэтому входящее излучение в черной дыре может оказаться смертельным для экипажа корабля.
Давайте обсудим эти проблемы немного подробнее. Первая проблема — накопить и собрать в одной точке достаточно энергии, чтобы разорвать ткань пространства-времени. Простейший способ добиться этого — сжать объект так, чтобы он стал меньше собственного горизонта событий. К примеру, для Солнца это означало бы сжать его до диаметра примерно в 3 км, после чего Солнце уже само коллапсирует и превратится в черную дыру. (Собственное тяготение Солнца слишком слабо, чтобы естественным путем сжать его до такого диаметра, поэтому наше светило никогда не станет черной дырой. В принципе это означает, что любое тело, даже ваше, способно превратиться в черную дыру, если его как следует сжать. Для человеческого тела это означало бы сжать все его атомы до размера, меньшего, чем субатомные расстояния, — эта операция лежит далеко за пределами возможностей современной науки.)
Чуть более практичный подход — взять батарею лазеров, собрать лучи и направить полученный мощный луч в определенную точку. Или построить гигантский ускоритель, разогнать в нем два пучка, которые затем столкнутся с выделением фантастического количества энергии, достаточного для создания крошечного разрыва пространства-времени.
Планковская энергия и ускорители частиц
Можно заранее рассчитать энергию, необходимую для создания нестабильности пространства-времени: по порядку величины она соответствует планковской энергии, составляющей 1019 МэВ. Это поистине невообразимо большая величина; она в квадриллион раз превосходит величины энергий, достижимых на самом мощном современном ускорителе — Большом адронном коллайдере (БАК, LHC), построенном в Швейцарии возле Женевы. Этот коллайдер способен разгонять в большом «бублике» протоны до энергий в триллионы электронвольт, которых не бывало с момента Большого взрыва. Но даже этой чудовищной машине далеко до создания частиц с энергиями, которые хотя бы отдаленно приближались к планковской энергии.
Следующим после Большого адронного коллайдера ускорителем станет Международный линейный коллайдер (МЛК, ILC). Вместо того чтобы гонять элементарные частицы по кругу, линейный коллайдер будет выстреливать и разгонять их на прямой, пока они не достигнут невообразимо высоких энергий. После этого поток электронов предполагается столкнуть с позитронами, создавая таким образом громадный выброс энергии. Длина МЛК составит 30–40 км и в десять раз превзойдет длину Стэнфордского линейного ускорителя, который на данный момент является крупнейшим в мире. Если все пойдет хорошо, МЛК будет сооружен где-нибудь в следующем десятилетии.
Предполагается, что МЛК будет выдавать энергии от 0,5 до 1,0 ТэВ. Это меньше, чем 14 ТэВ, которые можно получить на БАК, но такое впечатление обманчиво. В БАК сталкиваются протоны, а значит, реально в столкновении участвуют кварки, из которых состоит протон. В каждом индивидуальном столкновении кварков задействовано значительно меньше 14 ТэВ. Поэтому на МЛК можно будет получить большие энергии столкновения, нежели на БАК. Кроме того, поскольку у электрона нет известных составных частей, динамика столкновения между электроном и позитроном значительно проще и «чище».
Честно говоря, и МЛК будет очень далеко до энергий того уровня, который необходим, чтобы проделать дыру в пространстве-времени. Для этого потребовался бы в квадриллион раз более мощный ускоритель. Для нашей цивилизации — цивилизации нулевого типа, использующей в качестве топлива остатки растений (т. е. нефть и уголь), — эта технология совершенно недостижима. Но цивилизация III типа, возможно, сумеет овладеть ею.
Вспомним, что цивилизация III типа является галактической по использованию энергии и потребляет ее в 10 млрд раз больше, чем цивилизация II типа, источником энергии которой служит одна-единственная звезда. А цивилизация II типа, в свою очередь, потребляет в 10 млрд раз больше энергии, чем цивилизация I типа, использующая лишь энергию собственной планеты. А ведь уже через 100–200 лет наша слабенькая цивилизация должна достигнуть статуса цивилизации I типа.
Имея в виду наши перспективы, следует сделать вывод, что в настоящий момент мы находимся в самом начале длинного-длинного пути к получению планковской энергии. Многие физики считают, что на чрезвычайно малых расстояниях — порядка планковской длины, которая составляет 10-33 см, — пространство не пусто и не однородно, но «пенится»; оно наполнено крошечными пузырьками, которые постоянно возникают и сталкиваются с другими такими же пузырьками, а затем снова пропадают в вакууме. Пузырьки, которые возникают и пропадают в вакууме, — это «виртуальные вселенные»; они очень напоминают пары виртуальных частиц — электронов и позитронов, которые возникают и тут же аннигилируют.
В обычных обстоятельствах эта квантовая пространственно-временная «пена» совершенно незаметна нам. Пузырьки формируются на таких крошечных расстояниях, что мы не в состоянии их увидеть. Но квантовая физика считает, что если сконцентрировать в одной точке достаточно энергии, вплоть до планковской энергии, то эти пузырьки могут увеличиться. Тогда мы увидим, как пространство-время пенится крошечными пузырьками, и каждый такой пузырек — кротовая нора, соединяющая наш мир с готовой родиться дочерней вселенной.
В прошлом дочерние вселенные считались интеллектуальной забавой, причудливым следствием чистой математики. Но теперь физики всерьез считают, что когда-то наша Вселенная, вполне возможно, тоже начинала как одна из них.
Такой вывод основан на чистых и пока довольно произвольных рассуждениях, но законы физики позволяют открыть дыру в пространстве путем концентрации в одной точке достаточного количества энергии; энергия позволяет нам добраться до пространственно-временной пены, из которой возникают кротовые норы, соединяющие нашу вселенную с другой, дочерней вселенной.
Создание дыры в пространстве потребует, разумеется, технологии совершенно иного уровня, чем наша, но в то же время цивилизации III типа этот уровень вполне может оказаться доступен. К примеру, имеется такая штука под названием «настольный струйный плазменный ускоритель»; в последнее время в этом направлении получены многообещающие результаты. Несмотря на крошечные размеры — а этот ускоритель действительно может поместиться на столе, — прибор способен генерировать энергии в миллиарды электронвольт. Принцип работы струйного ускорителя состоит в том, что лазерный луч направляют на заряженные частицы, которые затем разгоняются за счет энергии лазера. Эксперименты, проведенные в научном центре Стэнфордского линейного ускорителя, в Лаборатории Резерфорда-Эпплтона в Англии и в парижской Политехнической школе показывают, что использование лазерного луча и плазмы в качестве источника энергии позволяет разгонять частицы на достаточно небольшом расстоянии до чрезвычайно высоких энергий.
Еще одно чрезвычайно важное открытие было сделано в 2007 г. Физики и инженеры научного центра Стэнфордского линейного ускорителя, Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе и Университета Южной Калифорнии продемонстрировали, что энергию громадного ускорителя частиц можно удвоить на протяжении всего 1 м. Они начали с пучка электронов, который разгоняется в двухмильной трубе Стэнфордского ускорителя до энергии в 42 МэВ. Затем эти электроны, и без того обладающие высокой энергией, пропускают через плазменную «форсажную камеру» длиной всего лишь 88 см; в ней электроны набирают еще по 42 ГэВ, удваивая таким образом свою энергию. (Эта плазменная камера заполнена газообразным литием. Электроны, проходя через газ, порождают плазменную волну и, как следствие этого, попутную струю. Этот поток, в свою очередь, как бы подхватывает следующие электроны пучка и толкает их вперед, придавая дополнительное ускорение.) Это поразительное достижение — ведь физикам удалось в 3000 раз превзойти предыдущий рекорд по количеству энергии, которое можно передать электронному пучку за 1 м. Если добавить такие плазменные «дожигатели» к уже существующим ускорителям, можно в принципе почти даром удваивать энергию получаемых частиц.
На сегодняшний день мировой рекорд для настольного струйного ускорителя составляет 200 ГэВ/м. Увеличение длины такого ускорителя пока представляется проблематичным — слишком много возникает проблем (таких, как поддержание стабильности пучка при разгоне его лазерным лучом). Но если предположить, что мы научимся все же произвольно увеличивать длину такого ускорителя с сохранением уровня энергии 200 ГэВ/м, то в этом случае длина ускорителя, способного разогнать частицы до планковской энергии, должна будет составить десять световых лет. Это вполне по силам цивилизации III типа.
По всей видимости, кротовые норы и растянутое пространство — самые реальные способы преодолеть световой барьер. Пока неясно, стабильны ли эти технологии; но даже если они стабильны, нам потребовалось бы сказочное количество энергии — положительной или отрицательной, — чтобы заставить их реально работать.
Может быть, уже сейчас какая-нибудь цивилизация III типа обладает подобными технологиями. Но пройдут, возможно, тысячи лет, прежде чем человечество сможет хотя бы всерьез задуматься о том, чтобы обуздать подобную мощь. Кроме того, еще разрешены не все противоречия в отношении законов, которыми управляется пространство-время на квантовом уровне. Учитывая все вышесказанное, я отнес бы преодоление светового барьера ко II классу невозможности.
12. Путешествия во времени
Если путешествия во времени возможны, то где же туристы из будущего?
Стивен Хокинг
— [Путешествия во времени] противоречат здравому смыслу, — произнес Филби.
— Какому смыслу? — переспросил путешественник во времени.
Герберт Уэллс
В романе «Уравнение Януса» писатель Стивен Спрюлл исследует одну из душераздирающих личностных проблем, связанных с путешествиями во времени. В центре сюжета книги блестящий математик, поставивший себе целью разгадать тайну путешествий во времени. Он встречает необычную красавицу, они становятся любовниками, — но при этом он ничего не знает о ее прошлом. Мучимый любопытством, он пытается узнать, кто же такая его таинственная возлюбленная. Постепенно выясняется, что когда-то она изменила свою внешность при помощи пластической операции. И изменила пол, также при помощи операции. В конце концов оказывается, что на самом деле «она» — путешественник во времени, прибывший из будущего; мало того, на самом деле «она» — это он сам, только из будущего. Получается, что он занимался любовью сам с собой. Остается только гадать, что произошло бы, появись у них ребенок? И если бы этот ребенок отправился назад, в прошлое, вырос бы там и стал математиком (тем самым, который фигурировал в начале истории)? Можно ли быть самому себе и матерью, и отцом, и сыном, и дочерью?
Как изменить прошлое
Время — одна из величайших загадок Вселенной. Река времени уносит нас всех без исключения, независимо от нашего желания и даже против воли. Еще в 400 г. н. э. Блаженный Августин много писал о парадоксальной природе времени: «А как могут быть эти два времени, прошлое и будущее, когда прошлого уже нет, а будущего еще нет? И если бы настоящее всегда оставалось настоящим и не уходило в прошлое, то это было бы уже не время, а вечность». Если продолжить логически мысль Августина, получится, что время вообще невозможно, потому что прошлое уже ушло, будущее не существует, а настоящее существует лишь мгновение. (После этих рассуждений Блаженный Августин задается глубокими теологическими вопросами о том, как время влияет на Бога, — вопросами, которые не потеряли смысл и сегодня. Если Господь всезнающ и всемогущ, писал Блаженный Августин, то связан ли Он течением времени? Другими словами, приходится ли Богу спешить, опаздывая на важную встречу, как делаем мы, смертные? Сам Августин делает такой вывод: Господь всемогущ и потому не может быть ограничен чем бы то ни было, в том числе и течением времени; следовательно, он должен существовать «вне времени». Хотя на первый взгляд концепция существования вне времени представляется абсурдной, это одна из тех идей, которые, как мы еще убедимся, снова и снова возникают в современной физике.)
Подобно Блаженному Августину, каждый из нас в какой-то момент задумывался о странной и загадочной природе времени и о том, как сильно время отличается от пространства. Если в пространстве мы можем без труда двигаться в любом направлении, то почему во времени все иначе? Каждый из нас задумывался и о том, что ждет человечество после нас. Век отдельного человека ограничен, но всем нам ужасно интересно все, что произойдет в будущем, после нас.
Желание человека путешествовать во времени родилось, вероятно, одновременно с самим человеком, но первая записанная история о путешествии во времени — «Мемуары о двадцатом столетии» — принадлежит перу Сэмьюела Мэддена и относится к 1733 г. В ней рассказывается об ангеле из 1997 г., который перенесся на 250 лет назад, чтобы передать британскому послу документы с описанием мира будущего.
Позже таких историй появилось множество. В 1838 г. вышло произведение анонимного автора «В ожидании дилижанса: анахронизм»; его герой, ожидая дилижанса, неожиданно переносится на тысячу лет в прошлое. Он встречает монаха древнего монастыря и пытается рассказать ему, как будет развиваться история в следующую тысячу лет, Через некоторое время он столь же неожиданно переносится обратно в настоящее; единственный результат — его дилижанс уже ушел.
Путешествия во времени можно обнаружить в самых неожиданных произведениях — как, например, в романе Чарльза Диккенса «Рождественская история», написанном в 1843 г.; героя романа, Эбенезера Скруджа, переносят в прошлое и будущее и показывают мир, каким он был прежде и каким будет после его смерти.
В американской литературе путешествия во времени впервые появляются у Марка Твена в романе 1889 г. «Янки из Коннектикута при дворе короля Артура». Янки XIX в. переносится назад во времени и оказывается при дворе короля Артура в 528 г. от Рождества Христова. Его берут в плен и собираются сжечь на костре, но находчивый янки объявляет, что обладает властью погасить солнце, ведь он знает, что в этот самый день должно состояться солнечное затмение. Когда луна закрывает собой солнце, толпа приходит в ужас; янки отпускают и осыпают милостями, лишь бы он вернул им солнечный свет.
Но первой серьезной попыткой исследовать путешествия во времени в художественной литературе стал классический роман Герберта Уэллса «Машина времени»; в нем герой отправляется на сотни тысяч лет в будущее. Оказывается, в этом отдаленном будущем человечество генетически расколото на две расы — воинственных морлоков, которые ухаживают за мрачными подземными машинами, и беззаботных, похожих на детей элоев, которые радуются и танцуют наверху на солнечных полянах, не подозревая и не задумываясь об ожидающей их ужасной участи (быть съеденными морлоками).
После Уэллса путешествия во времени стали привычной деталью научно-фантастических произведений, от «Звездного пути» до «Назад в будущее». В фильме «Супермен» главный герой, узнав о гибели Лоис Лейн, в отчаянии решает повернуть назад стрелки времени; он начинает носиться вокруг Земли и обгоняет свет, пока само время не поворачивает назад. Земля замедляет вращение, останавливается и наконец начинает вращаться в обратную сторону — и все часы на Земле начинают обратный отсчет. Воды потопа с ревом устремляются обратно, прорванные дамбы чудесным образом восстанавливаются, и Лоис Лейн возвращается к жизни.
С точки зрения науки можно сказать, что путешествия во времени были решительно невозможны в ньютоновой вселенной, где время текло равномерно и прямолинейно. Однажды случившееся не могло измениться ни при каких обстоятельствах. Одна секунда на Земле равнялась одной секунде в любой другой точке Вселенной. Эйнштейн опроверг эту концепцию и показал, что время больше похоже на извилистую реку, которая пересекает Вселенную; петляя меж звезд и галактик, оно ускоряется и замедляется. Так что одна секунда на Земле вовсе не абсолютна; время в разных точках Вселенной течет по-разному.
Как я уже рассказывал, согласно специальной теории относительности Эйнштейна время в ракете замедляется, причем тем сильнее, чем быстрее она движется. Писатели-фантасты любят рассуждать о том, что, если удастся преодолеть световой барьер, то можно будет вернуться назад по времени. На самом деле это невозможно — ведь чтобы достичь скорости света, вам придется обзавестись и бесконечной массой. Скорость света — непреодолимый барьер для любой ракеты. Экипаж «Энтерпрайза» в сериале «Звездный путь IV: Путешествие домой» похитил космический корабль Клинтонов, разогнал его гравитационным маневром вокруг местного солнца, преодолел световой барьер и оказался в Сан-Франциско 1960-х гг. На самом деле это противоречит законам физики.
Тем не менее путешествия в будущее возможны, и это экспериментально подтверждено уже миллионы раз. Даже путешествие героя «Машины времени» в далекое будущее в принципе возможно. Если астронавт будет двигаться с околосветовой скоростью, на дорогу до одной из ближайших звезд ему может потребоваться, скажем, одна минута. На Земле при этом пройдет четыре года, но для него лично время сдвинется всего лишь на одну минуту, потому что время в корабле сильно замедлится. Получится, что астронавт при этом переместится в будущее Земли на четыре года. (Вообще говоря, наши астронавты совершают короткое путешествие в будущее каждый раз, когда летают в космос. Пока они летают вокруг Земли со скоростью 8 км/с, их часы идут чуть медленнее, чем часы на Земле. Можно подсчитать, что за время годичной экспедиции на космической станции они к моменту возвращения на Землю перемещаются в будущее на долю секунды. Мировой рекорд в путешествиях во времени принадлежит в настоящее время российскому космонавту Сергею Авдееву, который за 748 суток, проведенных на орбите, переместился в будущее уже на 0,02 с.)
Итак, машина времени для путешествий в будущее не противоречит специальной теории относительности Эйнштейна. Но как обстоит дело с путешествиями в прошлое?
Если бы мы могли путешествовать в прошлое, изучать историю было бы невозможно. Стоило бы историку записать прошедшие события, как кто-нибудь мог вернуться в прошлое и изменить его. Машина времени не только лишила бы историков работы, но и позволила бы нам произвольно изменять его течение. Если бы, к примеру, кто-нибудь отправился в прошлое, в эру динозавров, и случайно раздавил бы первое млекопитающее — нашего общего предка, — он мог бы стереть с лица Земли весь род человеческий. В лучшем случае история превратилась бы в бесконечный сумасшедший аттракцион, когда повсюду сновали бы туристы из будущего с фотоаппаратами и пытались получше заснять исторические события.
Путешествия во времени: игровая площадка для физиков
Пожалуй, можно сказать, что больше остальных отличился в математических джунглях черных дыр и машин времени космолог Стивен Хокинг. В отличие от других знатоков относительности, которые, как правило, еще в раннем возрасте проявляют себя в математической физике, Хокинг в юности не был выдающимся студентом. Было очевидно, что он чрезвычайно умен, но преподаватели часто замечали, что он не всегда сосредоточен на занятиях и не работает в полную силу. Поворотным для Хокинга стал 1962 г.; после окончания Оксфорда молодой физик впервые начал замечать у себя симптомы амиотрофического латерального склероза (ALS, или болезнь Лу Герига). Он был потрясен известием о том, что страдает неизлечимым нейродегенеративным заболеванием, которое лишит его всех двигательных функций и, скорее всего, быстро убьет. Можно представить себе, как расстроила молодого человека эта новость. Какой смысл получать степень доктора философии, если все равно скоро умрешь?
Но чуть позже, преодолев первый шок, Хокинг сосредоточился на работе — может быть, первый раз в жизни. Поняв, что времени у него немного, он предпринял яростную атаку на некоторые самые сложные проблемы общей теории относительности. В начале 1970-х гг. Хокинг опубликовал знаковую серию научных работ и в них показал, что сингулярности в теории Эйнштейна (точки, где гравитационное поле становится бесконечным, как, например, происходит в центре черной дыры или происходило в момент Большого взрыва) являются существенной частью релятивистской картины мира и не могут быть просто так сброшены со счетов (как полагал сам Эйнштейн). В 1974 г. Хокинг также доказал, что черные дыры, вообще говоря, не совсем черные; они потихоньку излучают то, что сейчас называют излучением Хокинга, потому что излучение способно просочиться даже через гравитационное поле черной дыры. Эта работа стала первой серьезной попыткой применить квантовую теорию к теории относительности, и это самая известная работа Хокинга.
Как и предсказывали врачи, ALS постепенно вызвал у Хокинга паралич рук, ног и даже голосовых связок, но все происходило гораздо медленнее, чем они думали первоначально. В результате он пережил уже многих нормальных людей, стал отцом троих детей (а теперь уже и дедом), в 1991 г. развелся со своей первой женой, через четыре года женился на жене человека, который сконструировал для него голосовой синтезатор, а в 2006 г. подал на развод и с этой женой. В 2007 г. Стивен снова попал на первые полосы газет — он стал пассажиром специального реактивного самолета и побывал в невесомости, исполнив таким образом давнюю мечту. Его следующая цель — побывать в космосе.
Сегодня Хокинг почти полностью парализован, передвигается в инвалидном кресле и общается с внешним миром посредством движения глаз. Но даже в таком бедственном состоянии он умудряется шутить, пишет научные работы, читает лекции и участвует в дискуссиях. Одними глазами он выдает больше научных результатов, чем целые команды ученых, вполне владеющих своими телами. (Его коллега по Кембриджскому университету сэр Мартин Рис, которого королева назначила Королевским астрономом, как-то признался мне, что болезнь не позволяет Хокингу заниматься скучными математическими расчетами, необходимыми в большой науке. Поэтому вместо этого он сосредоточивается на генерации новых свежих идей, а расчетами могут заниматься и его студенты.)
В 1990 г. Хокинг ознакомился с работами коллег, в которых предлагались всевозможные версии машины времени, и отнесся к ним очень критически. Интуиция подсказывала ему, что путешествия во времени невозможны, — иначе почему мы не встречаем у себя туристов из будущего? Если бы съездить куда-нибудь в прошлое было бы так же просто, как устроить воскресный пикник в парке, мы каждый день встречали бы на улицах гостей из будущего, а они приставали бы к нам с просьбами сфотографироваться с ними для семейного альбома.
И Хокинг бросил миру физики вызов. Он заявил: должен существовать закон, запрещающий путешествия во времени. Иначе говоря, он предложил «гипотезу о защите хронологии», которая исключила бы путешествия во времени на основании законов природы и «сохранила историю для историков».
Но произошло неожиданное. Как они ни старались, физики не могли отыскать закон, который прямо запрещал бы путешествия во времени. По всей видимости, они ни в чем не противоречат известным законам природы. Сам Хокинг, также не в состоянии выявить запрет, не так давно изменил свое мнение. Он снова попал в заголовки газет, заявив: «Если путешествия во времени и возможны, то они неосуществимы».
Да, если прежде путешествия во времени рассматривались в лучшем случае как околонаучная тема, то теперь они внезапно превратились в любимую игрушку физиков-теоретиков. Физик Кип Торн из Калифорнийского технологического института пишет: «Когда-то путешествия во времени были исключительной прерогативой писателей-фантастов. Серьезные ученые избегали их как чумы — даже когда писали под псевдонимом романы или тайком читали их. Как изменились времена! Теперь в серьезных научных журналах можно обнаружить ученый анализ путешествий во времени, принадлежащий перу выдающихся физиков-теоретиков… Откуда такая перемена? Просто мы, физики, поняли, что природа времени — слишком важная тема, чтобы отдавать ее на откуп писателям-фантастам».
Причина всей этой суеты и путаницы в том, что уравнения Эйнштейна допускают существование множества разных типов машины времени. (Правда, пока неясно, устоят ли они перед проверкой при помощи квантовой теории.) Более того, в теории Эйнштейна мы часто встречаем нечто под названием «замкнутая времяподобная кривая»; это технический термин для путей, которые позволяют путешествия в прошлое. Если следовать вдоль замкнутой времяподобной кривой, то можно вернуться из путешествия раньше, чем мы в него отправились.
Первый тип машины времени предусматривает использование кротовых нор. Уравнения Эйнштейна имеют немало решений, соединяющих две удаленные точки пространства. Но поскольку время и пространство в теории Эйнштейна тесно переплетены, эта же кротовая нора может и соединять две точки во времени. Упав в кротовую нору, можно переместиться (по крайней мере, математически) в прошлое. Вроде бы после этого можно вновь переместиться в первоначальную точку и встретить там самого себя перед стартом. Но, как мы уже упоминали в предыдущей главе, кротовая нора в центре черной дыры — это дорога в один конец. «Не думаю, что вопрос в том, может ли человек, находясь в черной дыре, попасть в прошлое, — говорит физик Ричард Готт. — Вопрос в том, сможет ли он выбраться оттуда, чтобы похвастаться».
Другая машина времени может «работать» во вращающейся Вселенной. В 1949 г. знаменитый математик Курт Гёдель нашел первое решение уравнений Эйнштейна, имеющее отношение к путешествиям во времени. Если Вселенная вращается, то, обогнув ее достаточно быстро, можно оказаться в прошлом и попасть в точку старта раньше, чем вы оттуда отправились. Получается, что путешествие вокруг Вселенной одновременно является путешествием назад во времени. Когда в Институте перспективных исследований появлялись астрономы, Гёдель часто спрашивал, имеются ли у них доказательства того, что Вселенная вращается. К его разочарованию, те отвечали, что Вселенная точно расширяется, но вот суммарный спин Вселенной, вероятно, равен нулю. (В противном случае путешествия во времени, возможно, стали бы привычными, а история в том виде, в каком мы ее знаем, перестала бы существовать.)
Третий вариант: если вы будете двигаться вокруг бесконечно длинного вращающегося цилиндра, вы тоже, возможно, вернетесь раньше, чем отправились в путь. (Это решение Биллем ван Стокум нашел в 1936 г., раньше Гёделя, но автор, по-видимому, не подозревал, что его решение позволяет путешествовать во времени,) Здесь получается, что если как следует поплясать вокруг шеста с лентами на майском празднике, то можно ненароком оказаться в предыдущем апреле. (Проблема, однако, заключается в том, что цилиндр должен быть бесконечным и вращаться так быстро, что большинство материалов не выдержит и разлетится на кусочки.)
Последний на данный момент вариант путешествий во времени обнаружил в 1991 г. Ричард Готт из Принстона. Его решение основывается на обнаружении в пространстве гигантских космических струн (возможно, оставшихся со времен Большого взрыва). Допустим, предположил он, что две такие космические струны собираются столкнуться. Так вот, если быстро обогнуть эти струны в момент столкновения, попадешь в прошлое. Достоинством этого типа машины времени является то, что вам не потребуются бесконечные вращающиеся цилиндры, вращающаяся Вселенная или даже черные дыры. Проблема, однако, состоит в том, что вам придется сначала отыскать в пространстве эти самые громадные космические струны, а потом заставить их столкнуться определенным образом. К тому же и «дорога» в прошлое при этом откроется на очень короткий промежуток времени. Готт говорит: «Коллапсирующая струнная петля, достаточно большая, чтобы ее можно было обогнуть один раз и вернуться при этом на один год назад, по своей массе-энергии должна превосходить половину галактики».
Но самая многообещающая схема машины времени — так называемые обратимые кротовые норы, упомянутые в предыдущей главе. Это дыры в пространстве-времени, где человек может свободно перемещаться вперед и назад во времени. Теоретически обратимые кротовые норы — это возможность не только путешествовать быстрее света, но и перемещаться во времени. Ключ к обратимым кротовым норам — отрицательная энергия.
Машина времени для обратимых кротовых нор должна состоять из двух камер; каждая камера — из двух концентрических сфер, разделенных крошечным промежутком. Если обжать наружную сферу внутрь, по направлению к внутренней сфере, то между двумя сферами возникнет эффект Казимира и в результате отрицательная энергия. Предположим, что некая цивилизация III типа способна протянуть кротовую нору между двумя этими камерами (возможно, соорудить ее можно будет из пространственно-временной пены). Далее берем первую камеру и отправляем ее в пространство на околосветовой скорости. Время в этой камере замедляется, и часы в двух камерах теряют синхронность. Время в двух камерах, соединенных кротовой норой, идет с разной скоростью.
Находясь во второй камере, можно по кротовой норе мгновенно переместиться в первую, которая существует в более раннем времени, и оказаться в прошлом.
Реализация этой схемы связана с очень серьезными трудностями. Так, кротовая нора может оказаться совсем крошечной, намного меньше размеров атома. А концентрические сферы, возможно, потребуется обжать до расстояний планковского масштаба, чтобы получить достаточно отрицательной энергии. И последнее. Вы сможете возвращаться назад во времени лишь только в тот момент, когда была создана данная машина времени — ведь до этого момента время в обеих камерах шло совершенно синхронно!
Парадоксы и загадки времени
Путешествия во времени порождают множество проблем, как технических, так и социальных. Ларри Дуайер поднимает всевозможные моральные, юридические и этические вопросы; он говорит: «Следует ли предъявить обвинения путешественнику во времени, если он побил самого себя, только более молодого (или наоборот)? Если путешественник во времени совершит убийство и скроется в прошлом, следует ли судить его в прошлом за преступление, которое ему еще только предстоит совершить? Если он женится в прошлом, то можно ли судить его за двоеженство, если другой жене предстоит родиться, скажем, через пять тысяч лет?»
Но возможно, самые труднорешаемые проблемы — это логические парадоксы, которые возникают при путешествиях во времени. Что произойдет, к примеру, если мы убьем своих родителей до своего рождения? Это логически невозможно, поэтому получается парадокс — иногда его называют «парадокс дедушки».
Существует три способа разрешить эти парадоксы. Во-первых, не исключено, что при возвращении в прошлое вам просто придется еще раз пережить все то же самое, восстановив тем самым историю в прежнем ее виде. В этом случае вы лишены свободы воли и вынуждены повторять прошлое в том виде, в каком оно единожды было реализовано. В этой ситуации получается, что если вы отправляетесь в прошлое, чтобы передать самому себе секрет путешествий во времени, то, значит, именно так все и должно было произойти: секрет путешествий во времени действительно был доставлен из будущего. Такова судьба. (Надо сказать, при этом остается неясным, откуда взялась первоначальная идея.)
Второй вариант. Вы обладаете свободой воли и, соответственно, можете изменять прошлое, но в ограниченных пределах. Ваша свобода воли работает до тех пор, пока вы не создаете временных парадоксов. Стоит вам попытаться убить родителей до своего рождения, и загадочная сила не даст вам спустить курок. Эту позицию отстаивает российский физик Игорь Новиков. (Он аргументирует это следующим образом. Существует, к примеру, закон природы, не позволяющий нам ходить по потолку, хотя мы можем этого захотеть. Почему не предположить, что существует закон, который не даст нам убить родителей до нашего рождения? Вот просто так, неизвестная сила не даст нам спустить курок.)
Наконец, третий вариант. Вселенная расщепляется на две. Люди, которых вы убили, в точности похожи на ваших родителей, но на самом деле ими не являются, поскольку вы уже находитесь в параллельной вселенной. Похоже, именно этот вариант соответствует квантовой теории; я расскажу об этом позже, когда буду говорить о Мультивселенной.
Второй вариант рассмотрен в фильме «Терминатор-3», где Арнольд Шварценеггер играет робота из будущего, в котором власть захватили агрессивные машины. На немногих оставшихся в живых людей машины охотятся, как на зверей; но машины не в силах уничтожить лидера сопротивления. Машины направляют целую серию роботов-убийц в прошлое, в момент незадолго до рождения лидера, с заданием уничтожить его мать. Но в конце концов, после эпических сражений, в финале фильма машины все же уничтожают человеческую цивилизацию, как и планировали с самого начала.
Фильм «Назад в будущее» рассматривает третий вариант решения. Доктор Браун изобретает машину, работающую на плутонии, на базе старого автомобиля DeLorean; на самом деле это машина времени для путешествия в прошлое. Марти Макфлай (в исполнении Майкла Фокса) садится в машину, отправляется в прошлое и встречается там со своей молоденькой матерью, которая затем влюбляется в него. Возникает сложная проблема. Если будущая мать Марти отвергнет его будущего отца и они не поженятся, то герой Фокса просто не родится на свет.
Проблему немного проясняет док Браун. Он рисует на доске горизонтальную линию, представляющую течение времени в нашей Вселенной, Затем он рисует вторую линию, которая ответвляется от первой и представляет параллельную вселенную; она возникает в тот момент, когда вы изменяете прошлое. Таким образом, стоит вам двинуться назад по реке времени, как она тут же разветвляется на два рукава; одна линия времени превращается в две. Этот подход известен как концепция множественности миров, и мы обсудим ее в следующей главе.
Это означает, что все парадоксы времени можно разрешить. Если вы убили своих родителей до вашего рождения, это означает просто, что вы убили людей, которые не являются на самом деле вашими родителями — хотя идентичны им генетически, обладают той же личностью и теми же воспоминаниями.
Идея множественности миров решает по крайней мере одну серьезную проблему путешествий во времени. Для физика проблема номер один, связанная с путешествиями во времени (помимо поисков отрицательной энергии), заключается в том, что последствия излучения будут накапливаться, и в итоге произойдет одно из двух: или вы упадете замертво при попытке войти в машину, или кротовая нора схлопнется, когда вы будете через нее проходить. Эти радиационные эффекты будут накапливаться, потому что любое излучение, попавшее в портал времени, отправится в прошлое; там это излучение выйдет наружу и будет бродить по Вселенной до сегодняшнего дня, когда ему наступит время снова войти в портал. Поскольку излучение может войти в портал бесконечное число раз, внутри портала оно может достичь невероятно высокого уровня — вполне достаточного, чтобы убить любого, кто туда попадет. Но если говорить о версии с «множественными мирами», то эта проблема решится сама собой. Излучение, попавшее в машину времени, действительно отправляется в прошлое, но попадает в новую вселенную; оно не может входить в портал времени снова, снова и снова. Это означает, что существует бесконечное число вселенных, для каждого цикла своя, и в каждом цикле в портал времени проникает лишь один фотон излучения — а не бесконечно много.
В 1997 г., когда трем физикам удалось наконец доказать, что намерение Хокинга раз и навсегда запретить путешествия во времени некорректно в принципе, спорные вопросы слегка прояснились. Бернард Кей, Марек Радзиковски и Роберт Уолд показали, что путешествия во времени не противоречат никаким известным физическим законам, за исключением одного момента. Когда речь идет о передвижении во времени, все проблемы концентрируются на горизонте событий (расположенном возле входа в кротовую нору). Но этот горизонт — то самое место, где, согласно современным представлениям, теория Эйнштейна уступает место квантовым эффектам. Проблема в том, что, пытаясь рассчитать радиационные эффекты на входе в машину времени, мы вынуждены использовать теорию, которая сочетает в себе общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую теорию излучения. Но, как бы мы ни пытались наивно объединить эти две теории, результат получается неубедительным; в некоторых местах ответ получается бесконечным, что лишено смысла.
Вот здесь и приходит время так называемой теории всего. Все проблемы путешествий через кротовые норы, терзающие физиков (к примеру, стабильность кротовой норы, опасное для жизни излучение, схлопывание кротовой норы при попытке пройти через нее), сконцентрированы на горизонте событий — в точности там, где теряет смысл теория Эйнштейна.
Таким образом, ключевым для понимания путешествий во времени является понимание физики горизонта событий — а ее может описать и объяснить только теория всего. Именно поэтому большинство физиков в настоящий момент согласно в том, что единственный способ разрешить вопрос путешествий во времени — разработать полную теорию гравитации и пространства-времени.
Теория всего должна объединить четыре фундаментальных физических взаимодействия Вселенной и позволить нам математически рассчитать, что произойдет при входе в машину времени. Только теория всего могла бы успешно рассчитать радиационные эффекты, создаваемые кротовой норой, и разъяснить вопрос о том, насколько стабильной будет кротовая нора при входе человека в машину времени. Но даже после создания такой теории нам, возможно, придется ждать несколько веков или даже дольше, прежде чем первая машина времени сможет экспериментально проверить ее выводы.
Законы путешествий во времени так тесно связаны с физикой кротовых нор, что сами путешествия, очевидно, следует отнести ко II классу невозможности.
13. Параллельные вселенные
— Но неужели вы имеете в виду, сэр, — спросил Питер, — что другие миры могут существовать… повсюду, буквально за углом… вот просто так?
— Ничего не может быть вероятнее, — отозвался профессор… бормоча про себя: «Интересно, чему их там учат, в этих школах».
К. С. Льюис. Лев, колдунья и платяной шкаф
Послушайте: здесь, по соседству, есть чертовски хорошая вселенная: пойдемте туда.
Эдвард Каммингс
Действительно ли альтернативные вселенные имеют право на существование? В Голливуде они давно стали излюбленным инструментом кинематографистов; в качестве примера можно привести эпизод «Звездного пути» под названием «Зеркало, зеркало». Капитан Кирк случайно попадает в странную параллельную вселенную, где Федерация планет представляет собой зловещую империю, единство которой обеспечивается жестокими завоеваниями, алчностью и грабежом. В этой вселенной Спок носит страшную бороду, а сам капитан Кирк является лидером банды жадных пиратов, всегда готовых обратить своих соперников в рабство и поубивать собственных командиров.
Альтернативные вселенные позволяют нам вволю исследовать мир по имени «что, если бы…» и его чудесные, загадочные возможности. В комиксах серии про Супермена, к примеру, присутствовало несколько альтернативных вселенных; в одной из них родная планета Супермена, Криптон, не взрывалась; в другой Супермен в конце концов раскрывает свою тайну и признается, что он и скромный Кларк Кент — одно лицо; в третьей он женится на Лоис Лейн и у них рождаются супердети. Но можно ли считать параллельные миры исключительно вотчиной сериала «Сумеречная зона», или для них есть в современной физике серьезные предпосылки?
На протяжении всей истории человечества, включая практически все древние общества, люди верили, что существуют иные сферы, где обитают боги и духи. Церковь верит в существование рая, ада и чистилища. У буддистов есть нирвана и разные плоскости сознания. У индуистов — тысячи миров.
Христианские теологи, не в силах объяснить, где же могут находиться небеса, нередко рассуждают о том, что Бог, возможно, живет где-то в других, высших измерениях. Как ни странно, если бы высшие измерения действительно существовали, многие качества, которые мы приписываем богам, могли бы стать реальностью. Существо в высшем измерении обретало бы способность появляться и исчезать в любом месте по собственному желанию, а также проходить сквозь стены — способности, которыми в представлении человека обычно обладают божества.
В последнее время концепция параллельных вселенных является одной из самых горячо обсуждаемых тем в теоретической физике. Вообще, можно говорить о нескольких типах параллельных вселенных, которые заставляют нас заново пересмотреть наши представления о «реальности». Причем ставкой в теоретическом споре о различных параллельных вселенных служит — ни много ни мало — природа самой реальности.
В научной литературе активно обсуждается по крайней мере три типа параллельных вселенных:
а) гиперпространство, или высшие измерения;
б) мультивселенная;
в) квантовые параллельные вселенные.
Гиперпространство
Самой долгой историей научных дискуссий из всех типов параллельных вселенных может похвастаться параллельная вселенная высших измерений. Здравый смысл и органы чувств говорят нам, что мы живем в трех измерениях (длина, ширина и высота). Как бы мы ни двигали объект в пространстве, его положение всегда можно описать этими тремя координатами. Вообще, этими тремя числами человек может определить точное положение любого объекта во Вселенной, от кончика своего носа до самых отдаленных галактик.
На первый взгляд четвертое пространственное измерение противоречит здравому смыслу. К примеру, когда дым заполняет всю комнату, мы не видим, чтобы он исчезал в другом измерении. Нигде в нашей Вселенной мы не видим объектов, которые внезапно исчезали бы или уплывали в иную вселенную. Это означает, что высшие измерения, если таковые существуют, по размеру должны быть меньше атома.
Три пространственных измерения образуют фундамент, основу греческой геометрии. К примеру, Аристотель в трактате «О небе» писал: «Величина, делимая в одном измерении, есть линия, в двух — плоскость, в трех — тело, и, кроме них, нет никакой другой величины, так как три [измерения] суть все [измерения]». В 150 г, н, э. Птолемей Александрийский предложил первое «доказательство» того, что высшие измерения «невозможны». В трактате «О расстоянии» он рассуждает следующим образом. Проведем три взаимно перпендикулярные прямые линии (как линии, которые образуют угол комнаты). Очевидно, провести четвертую линию, перпендикулярную трем первым, невозможно, следовательно, четвертое измерение невозможно. (На самом деле ему удалось доказать таким образом только одно: наш мозг не способен наглядно представить себе четвертое измерение. С другой стороны, компьютеры постоянно занимаются расчетами в гиперпространстве.)
На протяжении двух тысячелетий любой математик, который отваживался заговорить о четвертом измерении, рисковал подвергнуться насмешкам. В 1685 г. математик Джон Уоллис в полемике о четвертом измерении назвал его «чудовищем в природе, возможным не более, нежели химера или кентавр». В XIX в. «король математиков» Карл Гаусс разработал математику четвертого измерения в значительной степени, но побоялся публиковать результаты, опасаясь негативной реакции. Сам он, однако, проводил эксперименты и пытался определить, действительно ли чисто трехмерная греческая геометрия правильно описывает Вселенную. В одном из экспериментов он поместил трех помощников на вершинах трех соседних холмов. У каждого помощника был фонарь; свет всех трех фонарей образовал в пространстве гигантский треугольник. Сам же Гаусс тщательно измерил все углы этого треугольника и, к собственному разочарованию, обнаружил, что сумма внутренних углов треугольника действительно составляет 180°. Из этого ученый заключил, что если отступления от стандартной греческой геометрии и существуют, то они настолько малы, что их невозможно обнаружить подобными способами.
В результате честь описать и опубликовать основы математики высших измерений выпала Георгу Бернхарду Риману, ученику Гаусса. (Через несколько десятилетий эта математика целиком вошла в общую теорию относительности Эйнштейна.) На своей знаменитой лекции в 1854 г. Риман одним махом опрокинул 2000 лет владычества греческой геометрии и установил основы математики высших, криволинейных измерений; мы и сегодня пользуемся этой математикой.
В конце XIX в. замечательное открытие Римана прогремело по всей Европе и вызвало широчайший интерес публики; четвертое измерение произвело настоящую сенсацию среди артистов, музыкантов, писателей, философов и художников. Скажем, историк искусства Линда Дальримпл Хендерсон считает, что кубизм Пикассо возник отчасти под впечатлением от четвертого измерения. (Портреты женщин кисти Пикассо, на которых глаза смотрят вперед, а нос находится сбоку, представляют собой попытку представить четырехмерную перспективу, ведь при взгляде из четвертого измерения можно одновременно видеть лицо, нос и затылок женщины,) Хендерсон пишет: «Подобно черной дыре, четвертое измерение обладало загадочными свойствами, которые не удавалось до конца понять даже самим ученым. И все же четвертое измерение было гораздо более понятным и представимым, чем черные дыры или любые другие научные гипотезы после 1919 г., за исключением теории относительности».
Другие художники тоже пытались рисовать из четвертого измерения. На картине Сальвадора Дали «Распятие» Христос распят перед странным плывущим в пространстве трехмерным крестом, который на самом деле представляет собой развертку четырехмерного куба. В своей знаменитой картине «Упорство памяти» он попытался представить время как четвертое измерение — отсюда и метаформа растекшихся часов. Картина «Обнаженная фигура, спускающаяся по лестнице» Марселя Дюшана — попытка представить время как четвертое измерение через изображение нескольких стадий движения. Четвертое измерение появляется даже у Оскара Уайльда в рассказе «Кентервильское привидение», ведь привидение там живет в четвертом измерении.
Четвертое измерение фигурирует также в нескольких произведениях Герберта Уэллса, включая «Человека-невидимку», «Историю Платтнера» и «Удивительный визит». (В последнем рассказе, который с тех пор успел стать основой десятков голливудских фильмов и научно-фантастических романов, наша Вселенная каким-то образом сталкивается с параллельной вселенной. Несчастный ангел из соседней вселенной попадает под случайный выстрел охотника и проваливается в нашу Вселенную. В конце концов он, потрясенный алчностью, мелочностью и эгоизмом, царящими в нашей Вселенной, кончает жизнь самоубийством.)
Роберт Хайнлайн в романе «Число зверя» исследует идею о параллельных вселенных с иронией. В этом романе четверо храбрых землян носятся по параллельным вселенным на спортивной машине сумасшедшего профессора, способной передвигаться между измерениями.
В телесериале «Скользящие» мальчик под влиянием одной книги решает построить машину, которая позволила бы ему «скользить» между параллельными вселенными. (Можно добавить, что герой сериала прочитал мою книгу «Гиперпространство».)
Но исторически сложилось так, что физики рассматривали четвертое измерение лишь как забавную диковинку. Никаких свидетельств существования высших измерений не было. Положение начало меняться в 1919 г., когда физик Теодор Калуца написал очень спорную статью, в которой намекнул на существование высших измерений. Начав с общей теории относительности Эйнштейна, он поместил ее в пятимерное пространство (четыре пространственных измерения и пятое — время; поскольку время уже утвердилось как четвертое измерение пространства-времени, физики теперь называют четвертое пространственное измерение пятым). Если делать размер Вселенной вдоль пятого измерения все меньше и меньше, уравнения волшебным образом распадаются на две части. Одна часть описывает стандартную теорию относительности Эйнштейна, зато другая превращается в теорию света Максвелла!
Это стало поразительным откровением. Возможно, тайна света скрыта в пятом измерении! Такое решение шокировало даже Эйнштейна; казалось, оно обеспечивает элегантное объединение света и гравитации. (Эйнштейн был так потрясен предположением Калуцы, что два года раздумывал, прежде чем дал согласие на публикацию его статьи.) Эйнштейн писал Калуце: «Идея получить [объединенную теорию] посредством пятимерного цилиндра никогда не пришла бы мне в голову… С первого взгляда мне ваша идея чрезвычайно понравилась… Формальное единство вашей теории поразительно».
Много лет физики задавались вопросом: если свет — это волна, то что, собственно, колеблется? Свет способен преодолевать миллиарды световых лет пустого пространства, но пустое пространство — это вакуум, в нем нет никакого вещества. Так что же колеблется в вакууме? Теория Калуцы позволяла выдвинуть по этому поводу конкретное предположение: свет — это настоящие волны в пятом измерении. Уравнения Максвелла, точно описывающие все свойства света, получаются в ней просто как уравнения волн, которые двигаются в пятом измерении.
Представьте себе рыб, плавающих в мелком пруду. Возможно, они даже не подозревают о существовании третьего измерения, ведь их глаза смотрят в стороны, а плыть они могут только вперед или назад, вправо или влево. Возможно, третье измерение даже кажется им невозможным. Но теперь вообразите себе дождь на поверхности пруда. Рыбы не могут видеть третье измерение, но они видят тени и рябь на поверхности пруда. Точно так же теория Калуцы объясняет свет как рябь, которая двигается по пятому измерению.
Калуца дал также ответ на вопрос, где находится пятое измерение. Поскольку мы не видим вокруг никаких признаков его существования, оно должно быть «свернутым» до столь малой величины, что заметить его невозможно. (Возьмите двумерный лист бумаги и плотно скатайте его в цилиндр. Издалека цилиндр будет казаться одномерной линией. Получается, что вы свернули двумерный объект и сделали его одномерным.)
Поначалу работа Калуцы произвела сенсацию. Но в последующие годы нашлись и серьезные возражения против его теории. Каковы размеры этого нового пятого измерения? Каким образом оно свернулось? Ответов не было.
На протяжении нескольких десятилетий Эйнштейн принимался время от времени работать над этой теорией. Но после его смерти в 1955 г. теорию быстро забыли, она превратилась в забавное примечание на страницах истории физики.
Теория струн
Все изменилось с появлением поразительной новой теории, получившей название теория суперструн. К началу 1980-х гг. физики буквально утонули в море элементарных частиц. Каждый раз, разбивая атом на части при помощи мощного ускорителя частиц, они, к немалому изумлению, обнаруживали, что из расщепленного атома вылетают десятки новых частиц. Такое положение дел настолько обесьсураживало, что Роберт Оппенгеймер заявил: Нобелевскую премию по физике следует отдать тому физику, который за год не откроет ни одной новой частицы! (Энрико Ферми, в ужасе от того, как безудержно плодятся элементарные частицы с греческими буквами в названиях, сказал: «Если бы я был в состоянии запомнить названия всех этих частиц, я стал бы ботаником».) Лишь после десятилетий кропотливой работы этот густонаселенный зоопарк удалось организовать хоть в какую-то систему под названием Стандартная модель. Миллиарды долларов, тяжкий труд тысяч инженеров и физиков и 20 Нобелевских премий позволили сложить мозаику Стандартной модели буквально по кусочкам. Это поистине замечательная теория, соответствующая, насколько можно судить, всем экспериментальным данным субатомной физики.
Но Стандартная модель, несмотря на экспериментальный успех, обладает одним очень серьезным недостатком. Как говорит Стивен Хокинг, «она некрасива и достаточно произвольна». В ней по крайней мере 19 свободных параметров (в том числе масса частицы и сила ее взаимодействия с другими частицами), 36 кварков и антикварков, еще три важные субатомные частицы и их античастицы и множество других субатомных частиц со странными названиями, таких как глюоны Янга-Миллза, бозоны Хиггса, W-бозоны и Z-частицы. Хуже того, Стандартная модель ничего не говорит о гравитации. Трудно поверить, что природа на самом первичном, базовом уровне может быть столь запутанной и в высшей степени неэлегантной. Эту теорию мог бы полюбить только человек, вложивший в нее свою душу. Отсутствия красоты в Стандартной модели оказалось достаточно, чтобы физики захотели заново проанализировать свои представления о природе. Что-то здесь было не так.
Если внимательно рассмотреть развитие физики за последние несколько столетий, окажется, что одним из важнейших достижений последнего из них стало сведение всех фундаментальных физических законов в две великие теории: квантовую теорию (представленную Стандартной моделью) и общую теорию относительности Эйнштейна (которая описывает гравитацию). Замечательно, что вместе эти две теории представляют всю сумму физических знаний на фундаментальном уровне. Первая теория описывает мир очень малого — субатомный квантовый мир, где частицы исполняют свой фантастический танец, возникают из ничего и тут же пропадают снова и к тому же умудряются находиться в двух местах одновременно. Вторая теория описывает мир очень большого; ее интересуют такие предметы, как черные дыры и Большой взрыв; она пользуется языком гладких поверхностей, растянутого полотна и искаженного пространства. Эти теории во всем противоположны друг другу, они используют разную математику, разные аксиомы и разную физическую картину мира. При взгляде на них создается впечатление, что у природы две руки, совершенно не связанных друг с другом. Мало того, все попытки объединить обе теории не привели ни к каким разумным результатам. На протяжении полувека каждый физик, пытавшийся под дулом пистолета поженить квантовую теорию и общую теорию относительности, неожиданно для себя обнаруживал, что при любой попытке добиться своего теория разлетается в клочья и дает в ответ бесконечность, лишенную всякого смысла.
Все изменилось с появлением на сцене теории суперструн, которая утверждает, что электрон и другие субатомные частицы представляют собой не что иное, как различные колебания струны, работающей примерно как крошечная резиновая лента. Если дернуть за натянутую резинку, она будет вибрировать на разные лады — при этом каждая нота соответствует конкретной субатомной частице. Таким образом, теория суперструн объясняет существование сотен субатомных частиц, обнаруженных учеными при помощи ускорителей. Более того, теория Эйнштейна тоже укладывается в эту теорию как проявление одного из самых низкочастотных колебаний.
Теорию струн даже превозносили как пресловутую «теорию всего», ускользавшую от Эйнштейна последние 30 лет его жизни. Эйнштейну нужна была единая понятная теория, которая объединила бы в себе все законы физики и позволила ему «узнать, о чем думает Бог». Если теория струн верно объединила гравитацию и квантовую теорию, то она, возможно, представляет собой величайшее достижение науки за последние 2000 лет — с того самого момента, когда греки впервые задались вопросом: что есть вещество?
Но у теории суперструн есть одна очень странная особенность: эти самые струны могут колебаться только в пространстве-времени определенной размерности — а именно в десятимерном. Если попытаться сформулировать теорию струн для другого числа измерений, ничего не выйдет; математический аппарат просто развалится.
Разумеется, наша Вселенная четырехмерна (в ней три пространственных измерений и одно временное). Это означает, что остальные шесть измерений должны быть каким-то образом схлопнуты, или свернуты, подобно пятому измерению Калуцы.
В последнее время физики начали всерьез задумываться о том, чтобы доказать или, наоборот, опровергнуть существование этих высших измерений. Возможно, простейший способ убедиться в их существовании — это найти отклонения от ньютоновского закона всемирного тяготения. Из школы мы знаем, что сила притяжения Земли убывает с расстоянием. Если говорить более точно, сила взаимного притяжения убывает пропорционально квадрату расстояния, разделяющего объекты. Но это верно только потому, что мы живем в трехмерном мире. (Представьте себе сферу вокруг Земли. Сила притяжения Земли равномерно распределяется по площади этой сферы, поэтому чем больше сфера, тем слабее сила притяжения. Но площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату ее радиуса, поэтому и сила притяжения, распределенная по поверхности сферы, должна уменьшаться пропорционально квадрату радиуса.)
Но если бы во Вселенной было четыре пространственных измерения, то сила притяжения должна была бы убывать пропорционально кубу расстояния. Вообще, если бы вселенная имела n пространственных измерений, гравитация в ней убывала бы пропорционально (n-1)-й степени расстояния. Знаменитый закон Ньютона о том, что сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния, проверен на астрономических расстояниях с большой точностью; именно поэтому мы можем направлять космические зонды с поразительной точностью сквозь щели в кольцах Сатурна. Но до недавнего времени никто не проверял этот закон в лаборатории, на очень малых расстояниях.
Первый эксперимент, призванный проверить закон обратной пропорциональности силы притяжения квадрату расстояния, был проведен в 2003 г. в Университете Колорадо. Результат эксперимента был отрицательным: по всей видимости, параллельной вселенной не существует, по крайней мере, в Колорадо ее нет. Но отрицательный результат лишь раздразнил аппетиты других физиков, которые теперь надеются повторить этот эксперимент с еще большей точностью.
Большой адронный коллайдер, который в 2008 г. вводится в строй недалеко от Женевы, будет участвовать в поисках частиц нового типа — так называемых суперчастиц, которые представляют собой высшие моды колебания суперструн (все, что вы видите вокруг, представляет собой всего лишь низшие частоты колебания суперструн). Если БАК действительно обнаружит суперчастицы, это может означать начало настоящей революции в наших взглядах на Вселенную. В новой картине Вселенной Стандартная модель попросту будет представлять низшие частоты колебания суперструн.
Кип Торн говорит: «К 2020 г. физики будут уже понимать законы квантовой гравитации, и окажется, что они являются вариантом теории струн».
Кроме высших измерений теория струн предсказывает существование и другой версии параллельных вселенных; речь идет о Мультивселенной.
Мультивселенная
Один вопрос по поводу теории струн по-прежнему не дает покоя: почему эта теория существует ни много ни мало — в пяти версиях? Действительно, теория струн способна объединить квантовую теорию и гравитацию, но сделать это, как оказалось, можно пятью способами. Это довольно неприятно, ведь физики в большинстве своем мечтали о единой и единственной «теории всего». Эйнштейн, к примеру, хотел узнать, «был ли у Бога выбор при сотворении Вселенной». Он был убежден, что единая теория поля, или теория всего, должна быть уникальна. Так почему же сегодня мы видим пять версий теории струн?
В 1994 г. в научном мире взорвалась еще одна бомба. Эдвард Уиттен из Института перспективных исследований в Принстоне и Пол Таунсенд из Кембриджского университета выдвинули предположение о том, что все пять теорий струн на самом деле представляют собой одну теорию — но только если добавить одиннадцатое измерение. При взгляде из одиннадцатого измерения все пять теорий сольются в одну! Получается, что теория действительно уникальна, но только если в качестве наблюдательного пункта выбрать вершину одиннадцатого измерения.
В одиннадцатом измерении может существовать новый математический объект, получивший название «мембрана» (к примеру, она может быть подобна поверхности сферы). Но — поразительное наблюдение — при переходе от 11 измерений к 10 из единственной мембраны появляются все пять струнных теорий — и получается, что они представляют всего лишь разные пути перевода мембраны из одиннадцатимерного мира в десятимерный.
(В качестве наглядной иллюстрации представьте себе надувной мяч с перехватывающей его по экватору резинкой. Представьте, что вы возьмете ножницы и срежете весь мяч по обе стороны от резинки. Останется только сама резинка, или струна. Точно так же, если свернуть одиннадцатое измерение, от мембраны останется только «экватор», он же струна. Математически существует пять способов убрать «мяч», или мембрану, при свертывании «лишнего» измерения — и соответственно в десятимерном пространстве мы получаем пять разных струнных теорий.)
Одиннадцатое измерение позволило нам по-новому увидеть всю картину. Возникло также предположение о том, что наша Вселенная — тоже мембрана, плавающая в одиннадцатимерном пространстве-времени. Более того, не все измерения при этом должны быть свернуты до бесконечно малых величин. Наоборот, некоторые из них могут быть бесконечными.
А что, если наша Вселенная, вместе с другими вселенными, существует в некой единой Мультивселенной? Представьте себе множество парящих в воздухе мыльных пузырей, или мембран. Каждый мыльный пузырь олицетворяет собой целую вселенную, плавающую в одиннадцатимерном гиперпространстве большего размера. Пузыри способны объединяться друг с другом или разделяться на несколько пузырей, они способны даже возникать и исчезать. Не исключено, что мы все живем на оболочке одного такого пузыря-вселенной.
Макс Тегмарк из MIT считает, что через 50 лет «существование этих „параллельных вселенных“ будет вызывать не больше сомнений, чем существование иных галактик, которые тогда называли „островными вселенными“, вызывало сомнений 100 лет назад».
Сколько вселенных предсказывает теория струн? Довольно неприятной чертой теории струн является как раз тот факт, что вселенных может быть множество — многие триллионы вселенных, каждая из которых вполне согласуется с теорией относительности и квантовой теорией. Согласно одной из оценок, может существовать целый гугол таких вселенных. (Гугол — это единица со ста нулями.]
В обычных условиях связь между вселенными невозможна. Атомы нашего тела подобны мухам на липкой бумаге. Мы можем свободно передвигаться в трех измерениях нашей вселенной-мембраны, но не способны «выпрыгнуть» из нее в гиперпространство, потому что приклеены к нашей Вселенной. Но гравитация, которая представляет собой искажение пространства-времени, может свободно плавать в пространстве между вселенными.
Существует теория, утверждающая, что скрытая масса, или темная материя, — некое невидимое вещество, окружающее нашу Галактику, — возможно, представляет собой обычное вещество в параллельной вселенной. Как говорится еще в романе Герберта Уэллса «Человек-невидимка», наблюдатель будет невидим для нас, если будет находиться прямо над нами в четвертом измерении. Представьте себе два параллельных листа бумаги и наблюдателя, который находится на втором листе и видит под собой первый.
Существуют и другие предположения — к примеру, что скрытая масса может представлять собой обычную галактику, парящую прямо над нами в другой вселенной-мембране. Мы ощущаем гравитацию этой галактики — ведь гравитация способна проникнуть всюду, даже между вселенными, — но сама галактика остается для нас невидимой, потому что любой свет заперт в своей вселенной. Таким образом, мы имеем невидимую галактику, обладающую тем не менее массой, что вполне соответствует описанию скрытой массы. (Еще одна возможность состоит в том, что скрытая масса представляет собой следующую моду колебаний суперструны. Все, что мы видим вокруг, представляет собой не что иное, как низшую моду этих самых колебаний. Не исключено, что темная материя — набор следующих по частоте колебаний суперструны.)
Конечно, большинство параллельных вселенных, скорее всего, мертвы и представляют собой бесформенное скопление субатомных частиц, таких как электроны и нейтрино. В этих вселенных протон может быть нестабилен, поэтому все вещество в том виде, в каком мы его знаем, будет постепенно разлагаться и растворяться в пространстве. Вероятно, во многих вселенных сложное вещество, состоящее из атомов и молекул, просто не может существовать.
В других параллельных вселенных, наоборот, сложные формы материи играют значительно большую роль, чем мы можем себе представить. Вместо одного типа атомов, которые строятся из протонов, нейтронов и электронов, стабильное вещество там может существовать в поразительном разнообразии форм и типов.
Мембранные вселенные способны также сталкиваться между собой, порождая космические фейерверки. Некоторые физики в Принстоне считают, что наша Вселенная зародилась, возможно, при столкновении двух гигантских мембран, которое произошло 13,7 млрд лет назад. Они считают, что ударная волна от этого столкновения и стала причиной возникновения нашей Вселенной. Интересно, что при рассмотрении экспериментально проверяемых следствий этой необычной идеи получаются результаты, которые вполне согласуются с результатами работы спутника WMAP, находящегося в настоящее время на околоземной орбите. (Эта теория известна как теория «Большого всплеска».)
В пользу теории Мультивселенной говорит по крайней мере один факт. Если проанализировать основные физические константы, можно без труда обнаружить, что они очень точно «настроены» на то, чтобы в этих условиях могла существовать жизнь. Стоит увеличить ядерные силы — и звезды будут выгорать слишком быстро, чтобы жизнь успела возникнуть и развиться. Стоит их уменьшить — и звезды не будут вспыхивать вообще; естественно, жизнь в этом случае тоже не сможет существовать. Если увеличить силу тяготения, наша Вселенная быстро умрет в Большом сжатии; если ее немного уменьшить, она быстро расширится и замерзнет. Вообще, для того, чтобы в нашей Вселенной возникли подходящие для жизни условия, необходимы были десятки «случайностей», имеющих отношение к мировым константам. Очевидно, наша Вселенная по многим параметрам находится в «зоне жизни»; очень многое в ней «точно подобрано» для того, чтобы жизнь могла зародиться и существовать. Поэтому нам придется сделать вывод либо о существовании некоего Бога, который намеренно позаботился о той, чтобы наша Вселенная получилась такая, какая надо, либо о существовании миллиардов параллельных вселенных, многие из которых мертвы. Как сказал Фримен Дайсон, «Вселенная, похоже, заранее знала, что мы появимся».
Сэр Мартин Рис из Кембриджского университета считает, что такая точная настройка всех параметров надежно свидетельствует в пользу Мультивселенной. Все пять главных физических констант (таких, как сила фундаментальных взаимодействий) в нашей Вселенной подобраны очень точно и годятся для жизни, и он убежден, что кроме нашей существует бесконечное число вселенных, в которых физические константы не совместимы с жизнью.
Это так называемый антропный принцип. В слабом варианте этот принцип просто утверждает, что параметры нашей Вселенной точно настроены именно для жизни (и в первую очередь потому, что мы существуем и можем сделать такой вывод).
В сильном варианте антропный принцип утверждает, что наше существование, возможно, является побочным результатом чьих-то целенаправленных действий. Большинство космологов готово согласиться со слабой версией антропного принципа, но вопрос о том, что представляет собой сам принцип — новое слово в науке, открывающее дорогу к новым открытиям и разработкам, или просто утверждение очевидного.
Квантовая теория
В дополнение к высшим измерениям и Мультивселенной существует еще один тип параллельной вселенной — тот самый, что доставлял головную боль Эйнштейну и что продолжает мучить физиков и сегодня. Это квантовая вселенная, которую предсказывает обычная квантовая механика. Парадоксы квантовой физики представляются чрезвычайно трудноразрешимыми, и нобелевский лауреат Ричард Фейнман любил говорить, что ни кто на самом деле не понимает квантовой теории.
Да, квантовая теория — самая успешная теория, когда-либо разработанная человеческим разумом; да, точность ее предсказаний часто доходит до одной десятимиллиардной. Тем не менее эта теория построена на песке и полностью зависит от случая, удачи и вероятности. В отличие от теории Ньютона, которая дает точные и ясные ответы на вопросы о движении объектов, квантовая теория в состоянии назвать только вероятности. Чудеса современного мира — лазеры, Интернет, компьютеры, телевидение, сотовые телефоны, радары, микроволновые печи и т. п. — базируются на зыбучих песках вероятностей.
Возможно, самым наглядным примером этого может послужить знаменитая проблема «кошки Шрёдингера» (сформулированная одним из основателей квантовой теории, который, как ни странно, предложил эту проблему в надежде разгромить вероятностную ее интерпретацию). Шрёдингер очень злился на такую интерпретацию своей теории; он говорил: «Если действительно придется всерьез относиться к этим чертовым квантовым переходам, то я пожалею, что вообще принимал участие в этом деле».
Парадокс кошки Шрёдингера заключается в следующем: поместим кошку в запечатанный ящик. Пусть в ящике имеется заряженное ружье, нацеленное на кошку (причем спусковой крючок ружья связан со счетчиком Гейгера, рядом с которым находится кусок урана). В обычных обстоятельствах, если атом урана распадется, счетчик Гейгера сработает, ружье выстрелит, и кошка будет убита. Атом урана либо распадется, либо нет. Кошка либо будет жить, либо умрет. Это соответствует здравому смыслу.
Но в квантовой теории мы не можем знать наверняка, распался атом урана или нет. Поэтому мы должны сложить эти две возможности, т. е. сложить волновую функцию распавшегося атома с волновой функцией целого атома. Но это означает, что для описания кошки нам придется сложить два ее состояния. Так что кошка у нас окажется ни живой, ни мертвой. Она будет представлена как сумма живой кошки и мертвой кошки!
Фейнман однажды написал, что квантово-механическое описание природы «абсурдно с точки зрения здравого смысла, и при этом оно полностью согласуется с экспериментом — так что, я надеюсь, вы сможете принять эту природу в ее абсурдном образе».
Эйнштейну и Шрёдингеру такой взгляд представлялся нелепым. Эйнштейн верил в «объективную реальность», здравый смысл, ньютоновский взгляд на мир, где объекты существовали в одном определенном состоянии, а не как сумма множества возможных состояний. Тем не менее в основе современной цивилизации лежит именно такая необычная интерпретация. Без нее не смогла бы существовать современная электроника (да и атомы нашего тела тоже). (В обычном мире мы иногда шутим, что невозможно быть «немножко беременной». Но в квантовом мире дело обстоит еще хуже. Женщина в нем существовала бы как сумма одновременно всех возможных состояний ее тела: она была бы одновременно небеременной, беременной, девочкой, старухой, девушкой, деловой женщиной и т. п.)
Существует несколько способов разрешить этот неприятный парадокс. Основатели квантовой теории верили в так называемую копенгагенскую интерпретацию и считали, что, как только вы откроете ящик, вы сможете провести измерения и определить, жива кошка или мертва. После этого — все. Волновая функция «зафиксировалась» в одном из состояний; после этого здравый смысл берет верх. Волны исчезают, остаются одни частицы. Это означает, что кошка наконец приходит в определенное состояние (или живое, или мертвое), и ее уже не нельзя описывать волновыми функциями.
Таким образом, существует невидимый барьер, разделяющий причудливый мир атомов и макроскопический мир людей, В атомном мире все описывается через волны вероятностей, и атомы могут находиться в нескольких местах одновременно. Чем больше волновая функция частицы в данной точке, тем больше вероятность обнаружить частицу именно здесь. Но в мире больших объектов волновые функции уже зафиксированы, и объекты существуют в определенном состоянии. В макромире царит здравый смысл.
(Когда к Эйнштейну приходили гости, он показывал на Луну и спрашивал: «Неужели Луна существует потому, что на нее смотрит мышь?» В каком-то смысле копенгагенская школа давала на этот вопрос положительный ответ.)
В большинстве серьезных учебников по физике с религиозной точностью излагается точка зрения копенгагенской школы, но многие физики-исследователи от нее уже отказались. Теперь у нас есть нанотехнологии, мы можем оперировать отдельными атомами — и получается, что атомами, которые то возникают, то исчезают, тоже можно произвольно манипулировать, хотя бы при помощи туннельного сканирующего микроскопа. Таким образом, невидимой «стены», разделяющей микромир и макромир, не существует. Мир един.
В настоящее время у физиков нет единого мнения о том, как разрешить эту проблему, лежащую в самом сердце современной физики. На конференциях происходят жаркие споры, сталкиваются многочисленные теории. Кое-кто полагает, что должно существовать некое «космическое сознание», пронизывающее Вселенную. Объекты возникают, начинают существовать, когда производятся измерения, а измерения производят существа, обладающие сознанием. Следовательно, должно существовать единое космическое сознание, которое пронизывает всю Вселенную и определяет, в каком состоянии мы находимся. Некоторые подобно нобелевскому лауреату Юджину Вигнеру утверждают, что это доказывает существование Бога или, по крайней мере, некоего космического сознания. (Вигнер писал: «Невозможно было сформулировать законы [квантовой теории] совершенно последовательно без ссылки на сознание». Он даже проявил интерес к ведической философии индуизма, согласно которой нашу Вселенную пронизывает единое всеобъемлющее сознание.)
Еще один взгляд на парадокс кошки — идея «множественности миров», предложенная Хью Эвереттом в 1957 г. Эта теория утверждает, что Вселенная просто расщепляется надвое, причем в одной половине кошка остается живой, в другой — мертвой. Это означает, что каждый раз, когда происходит квантовое событие, параллельные вселенные размножаются или ветвятся. Существует любая вселенная, какая только может существовать. Чем причудливее вселенная, тем она менее вероятна, но все же такие вселенные существуют. Это означает, что существует параллельный мир, где нацисты выиграли Вторую мировую войну, и мир, где Великая испанская армада не была разбита и все теперь говорят по-испански. Другими словами, волновые функции никогда не схлопываются и не фиксируются в каком-то определенном состоянии. Они продолжают жить своей жизнью, а Вселенная жизнерадостно ветвится и расщепляется на бесконечное число параллельных вселенных.
Физик Алан Гут из Массачусетского технологического института говорит: «Существует вселенная, где Элвис до сих пор жив, а Альберт Гор стал президентом». Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек говорит: «Нас мучает сознание того, что бесчисленное количество наших почти точных копий живет своей параллельной жизнью и что каждое мгновение возникает еще больше наших дублей, чтобы разделить с нами множество вариантов нашего будущего».
В настоящее время среди физиков набирает популярность концепция так называемой декогерентности. Эта теория утверждает, что все параллельные вселенные возможны, но наша волновая функция потеряла когерентность с ними (т. е. уже не колеблется в унисон с другими вселенными) и потому не может с ними взаимодействовать. Это означает, что вы в собственной гостиной сосуществуете с волновыми функциями динозавров, инопланетных пришельцев, пиратов, единорогов и каждый из обитателей свято верит в то, что именно его вселенная является «настоящей»; но все эти сосуществующие вселенные больше не «настроены в тон» друг с другом.
Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг сравнивает такую ситуацию с настройкой радиоприемника. Вы прекрасно знаете, что ваша гостиная буквально затоплена сигналами десятков радиостанций со всех концов страны и мира. Но ваше радио настраивается только на одну частоту и, соответственно, только на одну станцию. При этом она «теряет когерентность» с остальными передающими станциями. (Суммируя, Вайнберг замечает, что концепция множественности миров — «убогая идея, но все остальные еще хуже».)
Подведем итог. Существует ли зловещая Федерация планет, которая грабит более слабые планеты и убивает без разбору своих врагов? Возможно, существует, но, если это так, мы потеряли когерентность с этой вселенной.
Квантовые вселенные
Хью Эверетт, конечно, пытался обсуждать свою теорию «множественности миров» с другими физиками, но получал в ответ только удивление или безразличие. Один из физиков, Брайс Девитт из Техасского университета, даже выступил против теории Эверетта, сказав: «Я просто не в состоянии почувствовать себя расщепленным». Но Эверетту такая реакция напомнила реакцию критиков Галилея, говоривших, что они не ощущают движения Земли. (Со временем Девитт перешел на сторону Эверетта и стал одним из ведущих сторонников этой теории.)
В течение нескольких десятилетий теория множественности миров прозябала в безвестности. Она просто казалась слишком фантастичной, чтобы быть верной. Джон Уилер, принстонский консультант Эверетта, в конце концов пришел к выводу, что эта концепция тянет за собой слишком много «лишнего багажа». Но в какой-то момент теория Эверетта неожиданно вошла в моду и сейчас она пользуется в мире физики серьезным интересом. Дело в том, что физики в настоящий момент пытаются применить квантовую теорию к последней области, которая до сих пор оставалась «неквантованной»: к самой Вселенной. А попытка применить принцип неопределенности ко всей Вселенной в целом естественным образом вызывает к жизни понятие Мультивселенной.
Понятие «квантовой космологии» на первый взгляд представляется терминологически противоречивым: ведь квантовая теория имеет дело с крохотным миром атомов, а в космологии идет речь о Вселенной в целом. Но подумайте вот о чем: в момент Большого взрыва Вселенная была гораздо меньше электрона. Любой физик согласится, что электрон следует рассматривать с точки зрения квантовой теории; это означает, что электрон описывается вероятностным волновым уравнением (уравнением Дирака) и может существовать в нескольких параллельных состояниях. Но если электрон следует квантовать, а Вселенная была когда-то меньше электрона, значит, Вселенная тоже должна квантоваться и существовать в параллельных состояниях. Значит, эта теория естественным образом ведет к представлению о множественности миров.
Однако копенгагенская интерпретация Нильса Бора в приложении к целой Вселенной сталкивается с серьезными трудностями. Вообще, копенгагенская интерпретация, хотя ее и изучают в каждом курсе квантовой механики для аспирантов, нуждается в «наблюдателе», наблюдения которого, собственно, и вызывают схлопывание волновой функции. Получается, что для фиксации макромира в определенном состоянии процесс наблюдения совершенно необходим. Но как можно находиться «вне» Вселенной и наблюдать за Вселенной со стороны? Если Вселенную описывает некая волновая функция, то как может «внешний» наблюдатель определить конкретное состояние Вселенной и заставить эту функцию схлопнуться? Более того, некоторые ученые считают невозможность пронаблюдать Вселенную «извне» критическим, даже фатальным недостатком копенгагенской интерпретации.
В концепции «множественных миров» эта проблема решается очень просто: Вселенная просто существует одновременно во множестве параллельных состояний, которые определяются главной волновой функцией, известной под названием волновая функция Вселенной. Согласно квантовой космологии, Вселенная возникла как квантовая флуктуация вакуума, т. е. как крошечный пузырек пространственно-временной пены. Большинство новорожденных вселенных пространственно-временной пены переживает большой взрыв, а затем сразу — большое сжатие. Это означает, что даже в «пустоте» кипит непрекращающаяся активность, возникают и тут же пропадают крошечные вселенные, но масштаб этих событий слишком мал для наших грубых приборов. Однажды по какой-то причине один из пузырьков пространственно-временной пены не схлопнулся обратно и не исчез в собственном Большом сжатии, а продолжал расширяться.
Это и была наша Вселенная. Если послушать Алана Гута, то получится, что вся наша Вселенная — одна большая халява.
В квантовой космологии физики берут для начала аналог уравнения Шрёдингера, описывающего волновые функции электронов и атомов. Они используют также уравнение Девитта-Уилера, действующего на «волновой функции Вселенной». Обычно волновая функция Шрёдингера определена в каждой точке пространства и времени, поэтому мы можем вычислить вероятность обнаружения электрона в любой заданной точке пространства и времени. Но «волновая функция Вселенной» определена на множестве всех возможных вселенных. Если окажется, что эта волновая функция для конкретной вселенной велика, это будет означать, что данная Вселенная с большой вероятностью находится именно в этом состоянии.
Хокинг поддерживает именно эту точку зрения. Он утверждает, что наша Вселенная особая, она уникальна и отличается от всех прочих вселенных. Если волновая функция нашей Вселенной велика, то для большинства остальных она почти равна нулю. Получается, что существует ненулевая, но очень небольшая вероятность того, что в Мультивселенной могут существовать и другие вселенные, кроме нашей, но наша Вселенная существует с максимальной вероятностью. Вообще, Хокинг пытается таким образом логически обосновать явление инфляции. В этой картине мира вселенная, в которой начинается процесс инфляции, просто более вероятна, чем вселенная, где ничего подобного не происходит, поэтому в нашей Вселенной такой процесс имел место.
Теория о происхождении нашей Вселенной из «пустоты» пространственно-временной пены на первый взгляд представляется совершенно непроверяемой; тем не менее она согласуется с несколькими простыми наблюдениями. Во-первых, многие физики указывали на тот поразительный факт, что сумма положительного и отрицательного электрического заряда в нашей Вселенной равняется нулю — по крайней мере в пределах экспериментальной погрешности. Нам кажется естественным, что доминирующей силой в космосе является гравитация, но ведь происходит это лишь потому, что отрицательные и положительные заряды в точности компенсируют друг друга. Если бы на Земле существовал хотя бы малейший дисбаланс между положительными и отрицательными зарядами, электрические силы, вполне возможно, преодолели бы силы гравитационного притяжения, связывающие Землю воедино, и просто разорвали бы нашу планету. Точное равновесие между суммарным положительным и отрицательным зарядами можно легко объяснить, в частности, тем, что Вселенная возникла из «ничего», а «ничто» обладает нулевым электрическим зарядом.
Во-вторых, наша Вселенная обладает нулевым спином. Курт Гёдель много лет пытался доказать, что наша Вселенная вращается, путем анализа и суммирования спинов различных галактик, но на сегодняшний день астрономы убеждены: суммарный спин нашей Вселенной равен нулю. Опять же этот факт можно легко объяснить тем, что Вселенная возникла из «ничего», а «ничто» обладает нулевым спином.
В-третьих, возникновение Вселенной из ничего помогло бы объяснить, почему суммарное содержание в ней вещества-энергии так мало, а возможно, вообще равно нулю. Если сложить положительную энергию вещества и отрицательную энергию, связанную с гравитацией, то, судя по всему, они в точности скомпенсируют друг друга. Согласно общей теории относительности, если Вселенная замкнута и конечна, то суммарное количество вещества-энергии в ней должно равняться в точности нулю. (Если Вселенная незамкнута и бесконечна, это не обязательно верно, но инфляционная теория указывает все же, что суммарное количество вещества-энергии в нашей Вселенной чрезвычайно мало.)
Контакт между вселенными
Все это оставляет открытым один интересный вопрос. Если физики не могут исключить возможность существования нескольких типов параллельных вселенных, то можно ли вступить с ними в контакт? Посетить их? Или, может быть, существа из других вселенных уже бывали в нашем мире?
Контакт с другими квантовыми вселенными, которые потеряли синхронность с нашей, представляется весьма маловероятным. Причина того, что наша Вселенная потеряла синхронность с другими вселенными, заключается в том, что наши атомы постоянно сталкивались с другими атомами окружающего мира. Каждый раз при столкновении волновая функция атома слегка «сжимается»; а значит, число параллельных вселенных уменьшается. Каждое столкновение уменьшает число возможных вариантов. Триллионы подобных атомных «мини-коллапсов» создают в результате иллюзию того, что все атомы нашего тела полностью схлопнулись и застыли в определенном состоянии. «Объективная реальность» Эйнштейна — всего лишь иллюзия, возникающая благодаря тому, что громадное число атомов в нашем теле постоянно сталкивается друг с другом; и при каждом таком столкновении уменьшается количество возможных вселенных.
Эту ситуацию можно сравнить с расфокусированным изображением в объективе фотокамеры. Точно так же и в микромире все выглядит переменчивым и неопределенным. Но стоит вам чуть подправить фокусировку камеры, и на изображении появляются новые детали; с каждой поправкой картинка в целом становится все резче и резче. Так и триллионы крохотных столкновений атомов с соседними атомами раз за разом уменьшают число возможных вселенных. Таким образом, мы плавно переходим от переменчивого микромира к стабильному макромиру.
Поэтому вероятность взаимодействия с другой, подобной нашей, квантовой вселенной если и не равняется нулю, то стремительно падает вместе с ростом числа атомов в вашем теле. Но атомов в каждом из нас триллионы и триллионы, поэтому шанс наладить связь с другой вселенной, населенной динозаврами или инопланетянами, бесконечно мал. Можно посчитать, что ждать подобного события придется много дольше, чем будет существовать Вселенная.
Итак, мы не можем полностью исключить контакт с параллельными квантовыми вселенными, но очевидно, что событие это будет чрезвычайно редким — ведь наша Вселенная утратила когерентность с ними. Но в космологии мы встречаем и другой тип параллельной вселенной: это Мультивселенная, которая состоит из вселенных, сосуществующих одна с другой подобно мыльным пузырям в пенной ванне. Контакт с иной вселенной внутри Мультивселенной — совсем другая история. Это, безусловно, трудная проблема, но не исключено, что цивилизация III типа сумеет решить ее.
Как мы уже обсуждали, для того чтобы открыть дыру в пространстве или увеличить пространственно-временную пену, необходима энергия, сравнимая по порядку величины с планковской энергией, при которой рушатся вообще все известные физические законы. Пространство и время при этой энергии нестабильны, что открывает возможность покинуть нашу Вселенную (предполагая, разумеется, что иные вселенные существуют и мы не погибнем в процессе перехода).
Вопрос этот, вообще говоря, нельзя назвать чисто академическим, потому что когда-нибудь перед разумной жизнью во Вселенной обязательно встанет проблема гибели Вселенной. В конце концов теория Мультивселенной может оказаться спасительной для всей разумной жизни нашей Вселенной, Недавно полученные со спутника WMAP данные подтверждают тот факт, что Вселенная расширяется с ускорением, и не исключено, что когда-нибудь всем нам будет грозить гибель в виде так называемого Большого мороза. Со временем вся Вселенная почернеет; все звезды в небесах погаснут и во Вселенной останутся только мертвые звезды, нейтронные звезды и черные дыры. Даже атомы наших тел, возможно, начнут распадаться. Температура упадет почти до абсолютного нуля, и жизнь станет невозможна.
По мере приближения Вселенной к этой точке продвинутая цивилизация, оказавшаяся перед лицом окончательной гибели своего мира, вполне может задуматься о переселении в иную вселенную. Выбор у этих существ будет невелик — замерзнуть насмерть или покинуть этот мир. Законы физики станут смертным приговором для любой разумной жизни — но эти же законы, возможно, предоставят разумным существам узенькую лазейку.
Такой цивилизации придется обуздать энергию гигантских ускорителей и лазерных лучей, равных по мощности целой солнечной системе или даже звездному скоплению, и сосредоточить ее в одной-единственной точке, чтобы получить легендарную планковскую энергию. Возможно, этого будет достаточно, чтобы открыть кротовую нору или путь в иную вселенную. Не исключено, что цивилизация III типа использует подвластную ей колоссальную энергию, чтобы создать кротовую нору и уйти через нее в другую вселенную, оставив собственную Вселенную умирать и начав в новом доме новую жизнь.
Новорожденная вселенная в лаборатории?
Некоторые идеи представляются поначалу практически неосуществимыми, но физики тем не менее рассматривают их вполне серьезно. Если, к примеру, мы попытаемся понять причину и ход Большого взрыва, нам придется тщательно проанализировать условия, которые могли дать этому явлению первоначальный толчок. Другими словами, нам придется задаться вопросом: «Как изготовить новорожденную вселенную в лаборатории?» Андрей Линде из Стэнфордского университета, один из создателей концепции инфляционной вселенной, говорит, что если мы научимся создавать новорожденные вселенные, то, «возможно, нам пора будет заново определить Бога как существо более сложное, чем просто творец Вселенной».
Сама по себе идея не нова. Много лет назад, когда физики вычислили энергию, необходимую для запуска Большого взрыва, «люди немедленно начали интересоваться, что произойдет, если в лаборатории сосредоточить большое количество энергии в одной точке — ну, скажем, выстрелить одновременно из множества пушек. Можно ли сконцентрировать достаточно энергии для запуска мини-варианта Большого взрыва?» — спрашивает Линде.
Если вы сумеете сосредоточить достаточное количество энергии в одной точке, то максимум, что вы получите, — это коллапс пространства-времени и черную дыру. Но в 1981 г. Алан Гут из Массачусетского технологического института и Андрей Линде предложили теорию «инфляционной вселенной», которая за прошедшее с той поры время привлекла к себе громадный интерес космологов. Согласно этой теории, Большой взрыв начался с фазы сверхскоростного расширения, гораздо более быстрой, чем считалось ранее. (Концепция инфляционной вселенной решает многие застарелые проблемы космологии — объясняет, к примеру, почему Вселенная настолько однородна. Куда, в какую бы точку ночного неба мы ни посмотрели, везде видим совершенно одинаковую однородную Вселенную, хотя после Большого взрыва прошло недостаточно времени, чтобы отдаленные ее части успели побывать в контакте. Ответ на эту загадку, согласно инфляционной теории, заключается в том, что вся видимая Вселенная образовалась из крохотного и относительно однородного «кусочка» пространства-времени.) Пытаясь объяснить начальный толчок, Гут предположил, что в начале времен существовали крохотные пузырьки пространства-времени, один из которых чрезвычайно сильно раздулся и превратился в сегодняшнюю Вселенную.
Теория инфляционной Вселенной одним махом ответила на множество космологических вопросов. Более того, она согласуется со всеми новыми данными, полученными со спутников СОВЕ и WMAP. Это, бесспорно, ведущий кандидат на роль теории Большого взрыва.
Но теория инфляционной Вселенной поднимает и множество «неудобных» вопросов. Почему этот пузырек начал раздуваться? Почему сверхскоростное расширение прекратилось — а именно это, вообще говоря, стало причиной возникновения современной Вселенной? Если инфляционные процессы начались однажды, не могут ли они возникнуть снова? Как ни странно, хотя инфляционный сценарий представляет собой ведущую космологическую теорию, о причинах начала и прекращения инфляции почти ничего не известно.
Пытаясь найти ответ на эти мучительные вопросы, Алан Гут и Эдвард Фахри из MIT в 1987 г. задали еще один гипотетический вопрос: «Как могла бы высокоразвитая цивилизация заставить раздуваться собственную Вселенную?» Они считают, что ответ на этот вопрос позволил бы, возможно, ответить и на более глубокий вопрос: «Почему вообще началась инфляция Вселенной?»
Они обнаружили, что, если сосредоточить достаточное количество энергии в одной точке, там спонтанно будут возникать крохотные пузырьки пространства-времени. Но если эти пузырьки будут слишком маленькими, они снова исчезнут и пропадут в пространственно-временной пене. Чтобы иметь возможность раздуться до полноценной вселенной, пузырек должен быть достаточно большим.
Снаружи рождение новой вселенной выглядело бы не слишком впечатляюще — возможно, не страшнее взрыва 500-килотонной ядерной бомбы. Выглядело бы все так, как будто маленький пузырек исчез из имеющейся вселенной, оставив после себя небольшой ядерный взрыв. Но внутри пузырька при этом могла бы раздуться совершенно новая вселенная. Представьте себе мыльный пузырь, который расщепляется на два или порождает рядом крошечный новорожденный «дочерний» пузырек. Иногда этот крошечный мыльный пузырек стремительно раздувается в совершенно новый полноценный мыльный пузырь. Точно так же, находясь внутри новорожденной вселенной, вы увидели бы невероятный взрыв пространства-времени и возникновение целой вселенной.
После 1987 г. было предложено множество теорий, призванных выяснить, сможет ли подпитка энергией превратить крупный пузырек в целую вселенную. Самой общепринятой, пожалуй, является теория о том, что неизвестная пока частица по имени «инфлатон» дестабилизирует пространство-время и заставляет пузырьки формироваться и раздуваться.
Последнее противоречие было выявлено в 2006 г., когда физики начали всерьез рассматривать новое предложение «запускать» рост новорожденной вселенной при помощи монополя. Хотя до сих пор монополи — частицы только с одним магнитным полюсом, северным или южным, — никто никогда не видел, считается, что первое время именно они преобладали в молодой Вселенной. Монополи настолько массивны, что их чрезвычайно трудно создать в лаборатории; но не исключено, что именно массивность позволит им при закачке дополнительной энергии «запустить» процесс инфляции новорожденной вселенной и превращения ее в полноценную вселенную.
Зачем физикам понадобилось создавать вселенные? Линде говорит: «В перспективе каждый из нас сможет стать богом». Но для стремления непременно создать новую вселенную есть и более реальная причина: возможно, в конце концов это поможет нам уцелеть при неизбежной смерти нашей Вселенной.
Эволюция вселенных?
Некоторые физики склонны уводить эту идею еще дальше к границам научной фантастики; они задаются вопросом, не приложил ли разум «руку» к созданию нашей Вселенной?
В картине мира, соответствующей теории Гута-Фахри, высокоразвитая цивилизация вполне может создавать новые вселенные, но все физические константы (т. е. массы электрона и протона, а также интенсивность четырех фундаментальных взаимодействий) останутся прежними. А что, если высокоразвитая цивилизация была бы способна создавать новые вселенные с чуть иными, нежели их собственные, значениями физических констант? После этого новорожденные вселенные могли бы развиваться во времени, причем каждое поколение новорожденных вселенных слегка отличалось бы от прежнего.
Если рассматривать набор фундаментальных констант чем-то вроде ДНК вселенной, то получится, что разумная жизнь, вполне возможно, научится создавать новорожденные вселенные с чуть разными ДНК. Со временем созданные вселенные будут развиваться; при этом размножаться будут вселенные с наилучшей ДНК, допускающей возникновение и процветание разумной жизни. Физик Эдвард Харрисон на основании предыдущей идеи Ли Смолина выдвинул идею «естественного отбора» среди вселенных. Согласно этой идее, в Мультивселенной доминируют именно вселенные с наилучшей ДНК, что вполне согласуется с идеей возникновения высокоразвитых цивилизаций, а те, в свою очередь, создадут следующие новорожденные вселенные. «Выживание наиболее приспособленных» попросту означает выживание тех вселенных, которые наилучшим образом способствуют появлению высокоразвитых цивилизаций.
Эта картина, если она верна, объяснила бы, почему фундаментальные константы Вселенной «настроены» на жизнь. Это просто означало бы, что в Мультивселенной процветают и «размножаются» именно вселенные с желаемыми (т. е. совместимыми с жизнью) константами.
(Такая концепция «эволюции вселенных» весьма привлекательна, поскольку способна разрешить проблему антропного принципа. Ее недостаток состоит в том, что подобная идея непроверяема и нефальсифицируема. Пока не появится полная теория всего, мы не сможем сказать об этой идее ничего разумного.)
