Текст: Андрей Мягков
Физик-теоретик Митио Каку — известнейший и крайне доходчивый популяризатор науки. Так что вполне ожидаемо, что один из главных его хитов — книга «Будущее разума», посвященная человеческому мозгу и его перспективам — вошла в коллекцию проекта «Дигитека» и прямо сейчас раздается всем желающим абсолютно бесплатно. Начать вполне можете с нее, но если просвещения от Митио Каку вам окажется мало, совсем скоро можно будет почитать его новинку «Уравнение Бога» — и мы от всей души советуем этим заняться.
Рассказывать простыми словами о сложных вещах — разумеется, настолько простыми, насколько позволяет предмет — это отдельное искусство, подвластное далеко не всем ученым мужам. И американский профессор японского происхожения в этом смысле — однозначно один из лучших. Всего на двух сотнях (!) страниц Каку одно за одним, словно перебирая рукой монисто, объясняет суть главных научных открытий в разделе «физика» — от Ньютоновой революции и основ теории электромагнетизма, заложенных Фарадеем и Максвеллом, до теории относительности Эйнштейна, квантовой механики и современной теории струн. Которая, по мнению автора, и является в настоящий момент главным (и единственным) кандидатом на роль «теории всего»: некой окончательной, идеальной теории, объединяющей все физические взаимодействия и дающей полную картину мира.
Представляете — одним изящным математическим уравнением описать всю Вселенную? Это был бы подлинный венец науки: из такой формулы можно было бы вывести уравнения для всех состояний Вселенной, от начала мира до его конца; теоретическая физика, по сути, пришла бы к своему триумфальному концу. Однако уже более полувека ученые если не топчутся на месте, то уж точно не движутся к этому концу семимильными шагами: так насколько далеко мы от «теории всего»? Митио Каку считает, что недалеко — и, конечно, подробно аргументирует свою позицию.
Ну а один из вариантов ответа на вопрос «Зачем все это нужно?» дал еще Стивен Хокинг: «Если мы действительно откроем полную теорию, то со временем ее основные принципы станут доступны пониманию каждого, а не только нескольких ученых. Тогда все мы — философы, ученые и обычные люди — сможем принять участие в обсуждении вопроса о том, почему существуем мы и Вселенная. Ответ на этот вопрос станет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда мы узнаем замысел Бога». Вот такие серьезные дела.
Митио Каку. Уравнение Бога: В поисках теории всего / Пер. с англ. — М. : Альпина нон-фикшн, 2022. — 246 с.
ЭЙНШТЕЙН: ПОИСК ПУТЕЙ ОБЪЕДИНЕНИЯ
Еще подростком Эйнштейн задался вопросом, которому суждено было изменить ход истории XX века. Он спросил себя: можно ли обогнать луч света?
Много лет спустя он напишет, что в этом простом вопросе был ключ к его теории относительности.
Когда-то он прочел детскую книгу Аарона Давида Бернштейна из серии «Популярные книги по естествознанию», в которой читателю предлагали представить себе полет вдоль телеграфного провода. Вместо этого Эйнштейн представил полет вдоль светового луча, который выглядел застывшим в пространстве. Если нестись вдоль луча со скоростью света, световые волны должны казаться неподвижными, думал он, это мог бы предсказать еще Ньютон.
Но даже шестнадцатилетним подростком Эйнштейн понимал, что никто и никогда не видел застывшего в пространстве светового луча. Чего-то в этой картине недоставало. Биться над этим вопросом ему предстояло следующие десять лет.
К несчастью, многие считали его неудачником. Хотя учился он блестяще, профессорам не нравился его бесшабашный образ жизни. Заранее зная значительную часть материала, он часто пропускал занятия, в результате чего профессора писали ему нелестные характеристики; и все его попытки устроиться на работу заканчивались отказом. Отчаявшийся и безработный, он согласился на преподавательскую должность (откуда был уволен за спор с нанимателем). В какой-то момент, пытаясь поддержать свою гражданскую жену и ребенка, он даже подумывал заняться продажей страховых полисов. (Представляете — открываете вы дверь и видите там Эйнштейна, который пытается впарить вам страховку?) Будучи не в состоянии найти работу, он считал себе паршивой овцой в собственной семье. В одном из писем он мрачно писал: «Я всего лишь обуза для родных… Лучше бы меня вовсе не было на свете».
В конце концов ему удалось получить работу чиновника третьего класса в патентном бюро в Берне. Эта унизительная на первый взгляд должность на самом деле стала большим благом. В тишине патентного бюро Эйнштейн смог вернуться к вопросу, мучившему его с детства. Именно там ему суждено было начать революцию, перевернувшую физику и весь мир с ног на голову.
С уравнениями Максвелла для света Эйнштейн познакомился еще во время учебы в знаменитом Высшем техническом училище в Швейцарии. Тогда же он задался вопросом: что произойдет с уравнениями Максвелла, если объект будет двигаться со скоростью света? Примечательно, что никто до него не задавал этого вопроса. Пользуясь теорией Максвелла, Эйнштейн рассчитал скорость светового луча, связанного с движущимся объектом, например поездом. Он ожидал, что скорость этого светового луча, с точки зрения внешнего неподвижного наблюдателя, будет равна сумме обычной скорости света и скорости поезда. Согласно Ньютоновой механике, скорости должны складываться. Например, если вы, путешествуя на поезде, бросаете бейсбольный мяч, то внешний наблюдатель скажет, что его скорость равна скорости поезда плюс скорость мяча относительно поезда. Точно так же скорости вычитаются. Так что если бы вы летели со скоростью света вдоль светового луча, то луч этот должен был казаться вам неподвижным.
К своему изумлению, Эйнштейн обнаружил, что световой луч при этом не только не будет казаться неподвижным, но и продолжит улетать прочь все с той же скоростью. Но это же невозможно, думал он. Согласно Ньютону, если двигаться достаточно быстро, можно догнать что угодно. Так говорит здравый смысл. Однако уравнения Максвелла гласили, что свет догнать невозможно: он всегда распространяется с одинаковой скоростью, как бы быстро ни двигались вы сами.
Для Эйнштейна это стало настоящим откровением. Прав может быть кто-то один: либо Ньютон, либо Максвелл. Второй должен быть неправ. Но как так получается, что свет догнать невозможно? В патентном бюро у него было достаточно времени, чтобы поразмышлять над этим вопросом. И однажды весной 1905 г. в поезде на Берн его осенило. «В голове у меня разразилась настоящая буря», — вспоминал он позже.
Блестящее озарение Эйнштейна состояло в том, что, поскольку скорость света измеряется при помощи часов и линеек и постоянна, как бы быстро вы ни двигались, пространство и время должны искривляться для обеспечения этого постоянства!
Это означает, что если вы находитесь на быстро движущемся космическом корабле, то часы внутри корабля идут медленнее, чем часы на Земле. Время замедляется тем сильнее, чем быстрее вы движетесь, — это явление описывается специальной теорией относительности Эйнштейна. Таким образом, ответ на вопрос «Который час?» зависит от того, как быстро вы движетесь. Если космический корабль летит со скоростью, близкой к скорости света, а мы наблюдаем за ним с Земли в телескоп, то нам кажется, что все в корабле движется замедленно. К тому же все в корабле кажется сжатым. Наконец, все в нем стало тяжелее, чем было. При этом, как ни удивительно, его обитателям кажется, что все нормально.
Позже Эйнштейн вспоминал: «Я обязан Максвеллу больше, чем кому-либо другому». Сегодня провести такой эксперимент совсем несложно. Если поместить атомные часы в самолет и сравнить их ход с ходом часов на земле, можно увидеть, что они идут медленнее (совсем чуть-чуть, на одну триллионную долю).
Но если пространство и время могут изменяться, то все, что вы можете измерить, тоже должно изменяться, включая вещество и энергию. И чем быстрее вы движетесь, тем тяжелее становитесь. Но откуда берется при этом лишняя масса? Ее источником служит энергия движения. Это означает, что часть энергии движения превращается в массу.
Точная взаимосвязь вещества и энергии описывается формулой E = mc2. Это уравнение, как мы увидим, отвечает на один из глубочайших вопросов науки: почему светит Солнце? Ответ таков: Солнце светит потому, что в результате сжатия ядер водорода при очень высоких температурах часть их массы превращается в энергию.
Ключ к пониманию Вселенной — унификация, объединение. Для теории относительности это объединение пространства и времени, а также вещества и энергии. Но как оно достигается?
Симметрия и красота
Для поэтов и художников красота — это эфемерное эстетическое качество, рождающее сильные эмоции и страсть.
Для физика красота — это симметрия. Уравнения красивы, потому что в них присутствует симметрия, то есть при перестановке или замене компонентов уравнение остается неизменным. Оно инвариантно по отношению к этому преобразованию. Представьте себе калейдоскоп. В нем беспорядочно пересыпаются цветные кусочки стекла, которые многократно отражаются в зеркалах, а отражения выстраиваются симметрично по кругу. Нечто хаотическое внезапно становится упорядоченным и красивым, и все это благодаря симметрии.
Точно так же красива снежинка, потому что при повороте на 60º ее форма не меняется. А сфера обладает еще большей симметрией. Ее можно повернуть вокруг центра на любой угол в любом направлении, и она будет выглядеть неизменной. Для физика уравнение красиво, если можно поменять местами его части и элементы и обнаружить, что результат не изменился, — иными словами, если видно, что между его частями имеется симметрия. Математик Годфри Харди однажды написал: «Построения математика, как построения художника или поэта, должны быть красивы; идеи, подобно цветам или словам, должны складываться гармонично. Красота — это первоначальный тест. Для безобразной математики в мире нет постоянного места». Красота, о которой здесь идет речь, — это симметрия.
Как мы уже говорили, если взять Ньютонову силу тяготения для Земли, обращающейся вокруг Солнца, то радиус орбиты Земли будет постоянным. Координаты X и Y меняются, но радиус R остается неизменным. Это правило можно распространить и на три измерения.
Представьте, что вы сидите на поверхности Земли, где ваше местоположение в трех измерениях задается тремя координатами X, Y и Z (см. рис. 5). Как бы вы ни перемещались по поверхности Земли, расстояние R от вас до ее центра останется неизменным, причем R2 = X2 + Y2 + Z2. Это уравнение — трехмерный вариант теоремы Пифагора*.
*Чтобы убедиться в этом, возьмем Z = 0. Тогда вместо сферы мы увидим окружность в плоскости X и Y, в точности как прежде. При движении по этой окружности выполняется равенство X2 + Y2 = R2. А теперь начнем постепенно увеличивать Z. По мере того как мы будем подниматься по оси Z, окружность будет уменьшаться. (На глобусе эта окружность соответствует линии равной широты.) R остается прежним, но при фиксированной величине Z уравнение для меньших окружностей принимает вид X2 + Y2 = R2 – Z2 . Если мы теперь разрешим Z меняться, то увидим, что любая точка на сфере имеет такие координаты X, Y и Z, что выполняется трехмерная теорема Пифагора. Так что в конечном итоге все точки на сфере могут быть описаны теоремой Пифагора в трех измерениях, где R остается постоянным, а X, Y и Z меняются при перемещении точки по сфере. Великое откровение Эйнштейна позволило распространить это правило на четыре измерения, где роль четвертого измерения играет время. — Прим. авт.
Итак, если мы возьмем уравнения Эйнштейна, а затем переведем пространство во время, а время в пространство, то уравнения останутся неизменными. Это означает, что три измерения пространства объединены теперь с измерением времени T, которое становится четвертым измерением в системе. Эйнштейн показал, что величина X2 + Y2 + Z2 – T2 (где время представлено в определенных единицах) остается неизменной, то есть получил модифицированный вариант теоремы Пифагора для четырех измерений. (Обратите внимание, что координата времени присутствует здесь со знаком минус. Это означает, что, хотя теория относительности инвариантна при вращении в четырех измерениях, с временем в ней обращаются немного иначе, чем с остальными тремя пространственными измерениями.) Таким образом, уравнения Эйнштейна симметричны в четырех измерениях.
Уравнения Максвелла были сформулированы примерно в 1861 г. — в год начала Гражданской войны в Америке. Они, как уже говорилось, обладают симметрией с точки зрения взаимопревращения электрического и магнитного полей. Но эти уравнения обладают еще одной, скрытой симметрией. Если мы преобразуем уравнения Максвелла в четырех измерениях, поменяв местами X, Y, Z и T, как сделал в 1910-е гг. Эйнштейн, они останутся неизменными. Это означает, что, если бы физики не были так ослеплены успехами Ньютоновой физики, теория относительности могла бы появиться еще во время Гражданской войны в США!
