Глава 10
Форма вещей
КАЖДЫЙ РАЗ, КОГДА ВОЛШЕБНИК ОБНАРУЖИВАЕТ КАКУЮ-НИБУДЬ НОВУЮ ШТУКОВИНУ, ОН НАЧИНАЕТ С НЕЙ ИГРАТЬ. Ученые поступают так же. Они играют с идеями, которые с точки зрения здравого смысла кажутся абсолютно абсурдными, обычно настаивая при этом, что идеи-то верны, а вот здравый смысл попал впросак. И как ни странно, часто добиваются успеха. Однажды Эйнштейн презрительно обозвал здравый смысл глупостью, но тут он, пожалуй, немного перегнул палку. Наука и здравый смысл все-таки связаны, пусть и не напрямую. Наука приходится здравому смыслу кем-то вроде четвероюродной племянницы. Здравый смысл – это наглядная демонстрация того, какой именно представляется Вселенная существу наших размеров, телосложения и темперамента. В частности, здравый смысл говорит нам, что Земля – плоская. Да, если пренебречь холмами, долинами и прочими ухабами и рытвинами, она действительно выглядит плоской. В конце концов, если бы она не была плоской, мы бы все так бы с нее и посыпались. Однако, несмотря на эти здравые доводы, Земля отнюдь не плоская.
А вот в Плоском мире, напротив, связь здравого смысла и реальности тесна и неразрывна. Здравый смысл говорит волшебникам Незримого университета, что Мир Диска – плоский, и он на самом деле плоский. Чтобы это доказать, им нужно всего лишь подойти к его Краю и посмотреть, как все исчезает за Краепадом. Так в свое время поступили Ринсвинд и Двацветок в «Цвете волшебства»: «Рев зазвучал громче. В нескольких сотнях ярдов на поверхности показался кальмар, который превосходил размерами все, когда-либо виденное Ринсвиндом. Щупальца чудовища бешено колотили по воде, пока оно опять не ушло в глубину… Мир приближался к Краю». Все свалившееся оттуда попадает в Окружносеть – невод размером в десять тысяч миль, протянутый у Края, маленький участок которого, кстати, контролирует морской тролль Тефис. И вот что увидели бы волшебники: «…открывающаяся внизу картина одним рывком перешла в новую, целостную, пугающую перспективу. Там, внизу, торчала слоновья голова, огромная, как средних размеров континент… Под слоном ничего не было, кроме далекого, режущего глаз диска солнца. Мимо Солнца, покрытый чешуйками величиной с город и щербинами кратеров, изрезанный, словно Луна, неторопливо проплывал плавник».
Считается, что древние люди полагали Землю плоской именно по этим очевидным с точки зрения здравого смысла причинам. На самом же деле, согласно сохранившимся записям, уже в древности большинству цивилизаций было известно, что наша планета шарообразна. Ведь корабли возвращались из земель, невидимых за горизонтом, а в небе висели круглые солнце и луна – вполне понятная подсказка.
Именно в этом у науки и здравого смысла есть что-то общее. Наука – это тоже своего рода здравый смысл, примененный к так называемой очевидности. Используя здравый смысл таким манером, неизбежно придешь к выводам, которые будут сильно отличаться от само собой напрашивающихся умозаключений, диктуемых тривиальным здравым смыслом и сводящихся к тому, что если вселенная кажется такой, следовательно, она такая и есть. Отсюда уже рукой подать до идеи, что если ты живешь на поверхности огромного шара, то, с твоей точки зрения, она покажется плоскостью. Между прочим, поскольку гравитация всегда направлена к центру этого шара, никто с него никуда не упадет. Но это так, небольшое замечание.
Около 250 года до н. э. грек Эратосфен Киренский уже доказал теорию сферической Земли и более того – вычислил ее размеры. Он использовал тот факт, что в Сиене (современный Асуан) полуденное солнце отражается на дне колодца. (Вот в Анк-Морпорке у него бы ничего не получилось, там колодезная вода бывает тверже камней, из которых сделан колодец.) Эратосфен сложил вместе два и два, однако получил гораздо больше, чем ожидал.
В конце концов, это всего лишь вопрос геометрии. Колодец выкопан вертикально. Следовательно, солнце в Сиене стоит точно над головой. Но в своей родной Александрии, находящейся в дельте Нила, Эратосфен ничего подобного не наблюдал. Напротив, в полдень, когда солнце стояло в зените, предметы отбрасывали заметную тень. Он вычислил, что в полдень угол между солнцем и вертикалью составляет там около 7°, то есть примерно 1/50 от 360°. Затем в дело пошла дедукция. Где бы ни находился наблюдатель, солнце будет в одной и той же точке. Известно, что оно сильно удалено от Земли, поэтому его лучи и в Сиене, и в Александрии падают на Землю практически параллельно друг другу. По мнению Эратосфена, все это можно объяснить лишь в том случае, если Земля шарообразна, и он сделал вывод, что расстояние от Сиены до Александрии – 1/50 от окружности планеты. Но каково же расстояние между ними?
Тут весьма кстати пришелся бы знакомый караванщик. Дело не только в том, что величайшим математиком всех времен и народов является верблюд Верблюдок из Плоского мира (не верите – прочитайте «Пирамиды»), но и в том, что путешествие из Александрии в Сиену на верблюдах занимает ровно пятьдесят дней. За день верблюд проходит около сотни стадиев. Следовательно, расстояние составляет около 5 тысяч стадиев, а радиус Земли – примерно 250 тысяч стадиев. Стадий – это древнегреческая мера длины, и никто на самом деле не знает, чему же она равнялась. Специалисты полагают, что один стадий равен 515 футам (или 157 метрам). Если они правы, то результат Эратосфена составил 24 662 мили (39 690 км), тогда как, по современным расчетам, длина окружности Земли – 24 881 миля (40 042 километра). Как видите, Эратосфен подсчитал все на удивление точно. Если только вышеозначенные специалисты не подогнали результат под правильный ответ в конце задачника. Простите, но мы, ученые, – неисправимые скептики.
Настал черед познакомиться с еще одной особенностью научного мышления. Для того чтобы найти связь между теорией и экспериментом, вы должны интерпретировать результат в рамках данной теории. Чтобы немного прояснить этот момент, мы расскажем вам историю одного дальнего родственника Себя-режу-без-ножа Достабля, Отвратосфена из Эфеба, который доказал, что Плоский мир представляет собой шар, и даже умудрился вычислить длину его окружности. Отвратосфен заметил следующее: в полдень в Овцепикских горах солнце стоит прямо над головой, тогда как в Ланкре, что в тысяче километров от Овцепиков, оно отклоняется, угол его наклона составляет 84° градуса от вертикали. Поскольку 84° составляют четверть от 360°, Отвратосфен сделал вывод, что Плоский мир – сферический и расстояние от Овцепиков до Анк-Морпорка равняется четверти длины его окружности. В итоге у него получилась окружность приблизительно в 4 тысячи миль (6400 км). К сожалению, как всем известно, от одного края Плоского мира до другого насчитывается 10 тысяч миль (или 16 тысяч км). Но нельзя же было допустить, чтобы какой-то случайный факт разрушил такую красивую теорию! Так что Отвратосфен до самой своей смерти свято верил, что живет в очень маленьком мире.
Его ошибка была в том, что он интерпретировал верные данные наблюдений в рамках ложной теории. Ученые постоянно возвращаются к устоявшимся теориям, чтобы проверить их заново, чем вызывают негодование со стороны жрецов, как религиозных, так и светских, полагающих, что знают ответ на любой вопрос. Наука – это вовсе не коллекция «фактов», а способ задавать неудобные вопросы и подвергать их проверке реальностью, тем самым противореча общечеловеческому желанию верить во что-то приятное.
* * *
С древних времен людей интересовала не только форма самой Земли, но и форма Вселенной. В самом начале им, вероятно, казалось, что это одно и то же. Потом, используя примерно ту же логику, что и Эратосфен, они обнаружили, что огоньки на небе находятся очень далеко. Тогда они сочинили замечательные мифы об огненной колеснице бога Солнца, и все такое прочее в том же духе. Тем не менее, после того как вавилонянам пришла в голову свежая идея все точно измерить, они научились отлично предсказывать затмения и движение планет. Во времена Клавдия Птолемея (ок. 100 – ок. 160) наиболее точная модель планетарного движения основывалась на сериях эпициклов: планеты движутся по замкнутому кругу, центр которого движется по другому замкнутому кругу, а центр этого круга, в свою очередь, тоже…
Исаак Ньютон заменил эту теорию и ее многочисленные последующие уточнения законом гравитации, то есть правилом, согласно которому каждое тело во Вселенной притягивается ко всем остальным телам. Это объясняло и открытие Иоганном Кеплером того, что планеты движутся по эллиптическим орбитам, а по прошествии некоторого времени объяснило и множество других вещей.
Прошло несколько веков ошеломляющего успеха, и ньютоновская теория столкнулась с первым поражением: гипотеза об орбите Меркурия, сделанная на ее основе, не оправдалась. Точка на орбите в том месте, где Меркурий находится на максимальном приближении к Солнцу, движется не совсем так, как предсказывает закон Ньютона. И тут на помощь пришел Эйнштейн со своей теорией, основанной не на силах притяжения, а на принципах геометрии и форме пространства-времени. Это была знаменитая теория относительности. Теория Эйнштейна существует в двух вариантах: специальная теория относительности (СТО) и общая (ОТО). СТО посвящена вопросам пространства, времени и электромагнетизма; ОТО описывает, что получается, когда ко всему вышеперечисленному вы добавляете гравитацию.
Следует заметить, что «теория относительности» – не вполне неудачное название. Главная идея СТО не в том, что все на свете относительно, а в том, что одна-единственная вещь – скорость света – неожиданно оказывается абсолютной. Проведем хорошо известный вам мысленный эксперимент. Представьте, что вы едете в автомобиле со скоростью 50 миль в час (80 км/ч) и стреляете по направлению движения из ружья. Пуля летит со скоростью 500 миль в час (805 км/ч) относительно автомобиля и попадает в неподвижную мишень на скорости, равной сумме двух этих скоростей, то есть 550 миль в час (885 км/ч). Но если вы будете светить фонариком, «выстреливающим» свет со скоростью 670 000 000 миль в час (108 000 000 км/ч), то скорость света отнюдь не станет 670 000 050 миль в час. Она останется точь-в-точь такой же, как если бы вы светили фонариком из неподвижной машины.
Практическая реализация подобного эксперимента несколько сложновата, но менее зрелищные и опасные опыты демонстрируют, что результат окажется именно таким.
Эйнштейн опубликовал СТО в 1905 году вместе с первыми обоснованиями квантовой механики и новаторской работой о диффузии. Множество людей, среди которых были голландский физик Хендрик Лоренц и французский математик Анри Пуанкаре, уже работали над схожей идеей, поскольку электромагнетизм иногда вступал в противоречие с ньютоновской механикой. Они сделали вывод, что Вселенная намного сложнее, чем диктует нам здравый смысл, хотя ученые наверняка выразили эту мысль как-то иначе. По мере достижения скорости света объекты сжимаются, время начинает ползти как улитка, а масса стремится к бесконечности. При этом ничто не может якобы обогнать свет. Другая ключевая идея заключалась в том, что пространство и время – взаимообратимы. Три традиционных пространственных измерения и время образуют единое четырехмерное пространство-время, а точка в пространстве становится событием в пространстве-времени.
В привычном нам пространстве существует такое понятие, как расстояние. В СТО есть аналогичная величина, именуемая интервалом между событиями, обусловленным видимым течением времени. Чем быстрее движется объект, тем медленнее для наблюдателя, находящегося на этом объекте, течет время. Этот эффект назвали замедлением времени.
Если ваша скорость станет равной скорости света, время для вас остановится.
Одним из любопытных следствий из теории относительности является «парадокс близнецов», описанный Полем Ланжевином в 1911 году. Это, так сказать, классическая ее иллюстрация. Предположим, что Розенкранц и Гильденстерн родились в один и тот же день. Розенкранц – домосед, всю жизнь остающийся на Земле. Гильденстерн же путешествует со скоростью света и через год возвращается домой. Из-за замедления времени этот год превратится для Розенкранца в 40 лет. Получится, что Гильденстерн окажется моложе своего брата на 39 лет. Эксперименты с атомными часами, облетевшими вокруг Земли на реактивном самолете, вроде бы подтверждают подобный сценарий, однако по сравнению со скоростью света самолет движется слишком медленно, поэтому замеченная (и предсказанная) разница составила всего лишь доли секунды.
Пока все у нас идет отлично, однако гравитация сюда никак не вписывается. Несколько лет Эйнштейн ломал голову, пока не придумал, как это сделать: он допустил, что пространство-время искривлено. Появившаяся в результате его трудов теория и стала общей теорией относительности, являющейся синтезом ньютоновской гравитации и СТО. По мнению Ньютона, гравитация – это сила, отклоняющая материальные частицы с идеально прямого пути, которым они иначе могли бы свободно следовать. Согласно же ОТО, гравитация – это никакая не сила, а искажение структуры пространства-времени. Принято говорить, что пространство-время «искривляется», хотя этот термин зачастую вводит в заблуждение. В частности, это не означает, что пространство-время искривляется вокруг чего-то еще. В физическом смысле искривление – это та же гравитация, под воздействием которой изгибаются световые лучи, и в результате появляются, к примеру, «гравитационные линзы». Иначе говоря, искривление света массивными объектами, которое Эйнштейн открыл в 1911 году и опубликовал свои результаты в 1915-м. Впервые этот эффект был замечен во время солнечного затмения. Не так давно, наблюдая в телескоп за далекими квазарами, ученые обнаружили, что изображения некоторых из них мультиплицируются, так как их свет искривляется галактикой, находящейся на его пути.
Эйнштейновская теория гравитации вытеснила ньютоновскую потому, что лучше объясняла результаты некоторых наблюдений. Однако ньютоновская по-прежнему подходит для множества целей, к тому же она куда проще, поэтому списывать ее в утиль рановато. А теперь уже и эйнштейновскую теорию теснит другая, которую он когда-то отбросил, посчитав своей величайшей ошибкой.
В 1998 году два независимых наблюдения позволили усомниться в эйнштейновской концепции. Одно касалось крупномасштабной структуры Вселенной, другое имело место быть прямо у нас под боком. Первое наблюдение до сих пор изо всех сил сопротивляется любым попыткам его преодолеть, а вот второе любопытное явление, возможно, имеет какое-нибудь прозаическое объяснение. С него, пожалуй, и начнем.
В 1972 и 1973 годах для изучения Юпитера и Сатурна были запущены космические зонды «Пионер-10» и «Пионер-11». В конце 80-х оба зонда находились в глубоком космосе, направляясь за пределы Солнечной системы. В научной среде с давних времен распространена была легенда, ничем, впрочем, не доказанная, что за Плутоном может находиться неоткрытая планета, Планета Х. Она должна была исказить траекторию движения зондов, поэтому все напряженно следили за их полетом в надежде заметить какие-нибудь отклонения. И действительно, команда Джона Андерсена обнаружила таковые. Все бы хорошо, однако не похоже было, что эти отклонения вызваны некой планетой. Более того, они не вписывались в общую теорию относительности. «Пионеры» двигались по инерции, без применения каких-либо двигателей, поэтому сила притяжения Солнца (и даже гораздо более слабая гравитация других объектов Солнечной системы) воздействовала на зонды, постепенно замедляя их движение. Однако они почему-то замедлились немного сильнее, чем ожидалось. В 1994 году Майкл Мартин предположил, что этого наблюдения вполне достаточно, чтобы поставить под сомнение постулаты Эйнштейна. К тому же в 1998 году та же команда Андерсена объявила, что наблюдаемые факты не могут быть объяснены ошибками измерения, газовыми облаками, давлением солнечного света или гравитационным воздействием отдаленных комет.
Трое других ученых немедленно предложили свои гипотезы, объясняющие аномалию. Первые двое грешили на перегрев. Аппаратура «Пионеров» работает от бортовых ядерных генераторов, излучающих в пространство небольшое количество избыточного тепла. Давление, обусловленное таким излучением, могло замедлить космические аппараты в наблюдаемых пределах величин. Другое предложенное объяснение состояло в небольшой утечке топлива зондов. Андерсен ревниво обдумал эти варианты и, разумеется, усомнился в обоих.
Самое интересное то, что наблюдаемое замедление замечательно точно вписывалось в нестандартную теорию, предложенную в 1983 году Мордехаем Милгромом. Он видоизменил не закон гравитации, а ньютоновский закон движения, согласно которому сила равна массе, помноженной на ускорение. Поправка Милгрома актуальна тогда, когда ускорение очень мало. Она была предложена для того, чтобы разрешить другую гравитационную головоломку, а именно тот факт, что скорость вращения галактик не вписывается ни в теорию Ньютона, ни в теорию Эйнштейна. Чаще всего это объясняют наличием «холодной темной материи», оказывающей гравитационное воздействие, но совершенно незаметной в телескопы. Если предположить, что галактики имеют своего рода гало из такой материи, то скорость их вращения не будет связана лишь с одной только видимой материей. Множеству физиков-теоретиков идея темной материи не по душе («темная» в том смысле, что ее нельзя наблюдать непосредственно), и теория Милгрома начинает завоевывать популярность. Дальнейшее наблюдение за движением «Пионеров» покажет, кто был прав.
Другое открытие касается расширения Вселенной. Универсум становится все больше, но похоже, что в своих дальних пределах он расширяется быстрее, чем должен бы. Этот поразительный результат был позже подтвержден более детальными исследованиями проекта «Supernova Cosmology» под руководством Сола Перлмуттера и их конкурентами из проекта «High-Z Supernova» – исследовательская группа под руководством Брайана Шмидта. Все это выглядит как небольшой изгиб на графике зависимости яркости видимого свечения далекой сверхновой от величины красного смещения. Тогда как согласно ОТО этот график должен представлять собой прямую. Между тем он ведет себя так, словно существует некая сила гравитационного отталкивания, проявляющаяся лишь на сверхдальних расстояниях, скажем, равных половине радиуса Вселенной. По сути, это форма антигравитации.
Недавние исследования, возможно, подтверждают это замечательное открытие. Впрочем, отдельные неуемные ученые тут же выдвинули альтернативные версии объяснения данного казуса. В 2001 году Чаба Чаки, Джон Тернинг и Неманья Калопер предложили совершенно новую теорию. Свет далеких сверхновых кажется нам менее ярким, чем он должен быть, потому что частицы света (фотоны) становятся чем-то другим, а именно – «аксионами», гипотетическими частицами, предсказанными некоторыми новомодными течениями квантовой механики. Из-за того, что аксионы почти не взаимодействуют с остальной материей, обнаружить их очень нелегко. Но хотя масса аксиона должна быть чрезвычайно мала (примерно одна секстиллионная массы электрона), все же она больше нуля, и аксионы должны взаимодействовать с межгалактическими магнитными полями. Это взаимодействие превратит некоторую часть фотонов в аксионы, что и объясняет уменьшение яркости. Таким манером некоторые сверхновые могут терять до трети своих фотонов.
Мысль, что столь незначительное уточнение, как введение в теорию частицы с пренебрежимо малой массой, может иметь существенные последствия, действует отрезвляюще. В любом случае или гравитация – совсем не то, что мы думали, или аксионы действительно существуют (как ожидается) и обладают массой (вот это оказалось бы полной неожиданностью). А может быть, есть иное объяснение, до которого пока никто не додумался.
Одна из концепций сил отталкивания вводит в оборот экзотическую форму материи, так называемую квинтэссенцию. Речь идет о некой разновидности энергии вакуума, пронизывающей всю Вселенную и оказывающей отрицательное давление. (Когда мы писали эту фразу, то представляли себе выражение лица Чудакулли. Но нам придется его проигнорировать. Это не какое-нибудь там волшебство, в которое можно ткнуть пальцем. Это – наука! А она даже в полной пустоте обнаруживает кучу интересного.)
Забавно, что первоначально и сам Эйнштейн включал подобную отталкивающую силу в свои релятивистские уравнения, назвав ее космологической постоянной. Позже он передумал и выбросил эту константу, посетовав на собственную глупость, и до самой смерти считал эту историю пятном на своей репутации. Но, может быть, его первоначальная интуитивная догадка была все же правильной?
Это если аксионы действительно существуют и обладают массой.
Согласно подходу Эйнштейна к космологической константе квинтэссенция равномерно распространена в космосе. Предположим, что это не так, ведь обычная материя неоднородна, если так можно выразиться – комковата. Дэвид Сантьяго предположил, что если таковой же является и квинтэссенция, то следствием из уравнений Эйнштейна будет существование во Вселенной «античерных дыр», которые отталкивают материю, вместо того чтобы ее поглощать. Это не то же самое, что гипотетические «белые дыры», извергающие материю по причине того, что время в них течет вспять. Пока неясно, будут ли эти «античерные дыры» стабильными. Обычная материя неоднородна потому, что из-за гравитации ей нравится собираться в кучи. Антигравитация – это сила отталкивания, препятствующая таким скоплениям материи. Если это предположение верно, то античерные дыры – нестабильны, а следовательно, не смогут даже возникнуть. Таким образом, они могут быть математическим следствием из уравнений Эйнштейна, но не имеют никакого реального физического воплощения. Короче говоря, пока кто-нибудь не сделает необходимых расчетов, нельзя ни в чем быть до конца уверенным.
