Текущая страница: 7 (всего у книги 24 страниц) [доступный отрывок для чтения: 16 страниц]

Почему же каждая из этих звезд не может иметь такую же пышную свиту, как наше Солнце – свиту из планет, которым прислуживают луны?

И с ним не приключилось ничего плохого – по крайней мере церковь с ним ничего не сделала.

Когда куда-нибудь идешь, то все равно куда-нибудь придешь

Коперник одним из первых осознал великую истину: наше место во вселенной ничем не примечательно. Этот урок человечеству надо усваивать раз за разом. Наша посредственность простирается далеко за пределы Солнечной системы. Галилео отметил, что во вселенной бесчисленное множество звезд, и у всех равное право претендовать на звание центра вселенной.

Система шаровых скоплений в проекции на плоскость галактики. Галактическая долгота отмечена через каждые тридцать градусов. «Локальная система» целиком лежит в пределах самого маленького кружка, обведенного сплошной линией, имеющего радиус в тысячу парсеков. Более крупные кружки, обведенные сплошной линией, также гелиоцентричны, но их радиусы возрастают с интервалом по 10 000 парсеков. Пунктиром отмечена предполагаемая большая ось системы, пунктирные круги концентричны относительно ее центра. Точки примерно в четыре раза больше настоящих диаметров скоплений в таком масштабе. Девять скоплений отстоят от плоскости галактики более чем на 15 000 парсеков и не включены в эту схему.

В 1918 году астроном Харлоу Шепли составил карту 69 шаровых скоплений на Млечном Пути. Это очень тесные кучки по сто тысяч звезд, а то и больше, и резонно было предположить, что шаровые скопления распределены симметрично относительно центра галактики. Шепли обнаружил, что наше место нельзя считать привилегированным даже в пределах собственной галактики. Мы всего лишь одна из примерно 10 миллиардов звездных систем из глухой провинции.

Об этом же пишет и Дуглас Адамс:

Где-то в закоулках одного нефешенебельного района западной спиральной ветви Галактики, которого даже нет на карте, находится маленькое неприметное желтое солнце. На расстоянии около девяноста двух44
Адамс – не астроном и, если уж на то пошло, англичанин, так что простим ему ошибку в переводе метрических мер. На самом деле эта величина ближе к 93 миллионам миль.

Миллионов миль вокруг него вращается совершенно невзрачная зелено-голубая планета, произошедшие от обезьян жители которой настолько примитивны, что до сих пор считают электронные часы чем-то выдающимся.

(Пер. Ю. Ариновича)

Но это еще далеко не конец. В 1920 годы Эдвин Хаббл показал, что наша галактика – всего лишь одна из колоссального количества островных вселенных, летящих в пространстве. Как мы уже видели, обзор SDSS позволил нанести на карту свыше ста миллионов галактик, однако по самым скромным оценкам общее их число в наблюдаемой вселенной – несколько триллионов. В среднем эти триллионы галактик, судя по всему, распределены в пространстве с поразительной равномерностью. На языке симметрии это означает, что вселенная гомогенна . Подобным же образом северное полушарие вселенной, похоже, более или менее такое же, как южное. Опять же, если выражаться научно, вселенная, судя по всему, изотропна .

Эти наблюдения легли в основу так называемого космологического принципа. В сущности, он гласит, что вселенная везде и по всем направлениям более или менее одинакова. Наблюдения это подтверждают, однако на самом деле космологический принцип – это аксиома. Примерно как предположение, что неизменность физических законов позволяют нам интерпретировать прошлое и предсказывать будущее, космологический принцип дает нам возможность в разумных пределах интерпретировать данные, полученные из других частей вселенной.

Первыми проблесками понимания, какова вселенная вне нашей галактики, мы обязаны Эдвину Хабблу. Как мы уже видели, он не просто показал нам масштабы вселенной, но и открыл, что почти все галактики во вселенной, похоже, от нас отдаляются.

Идея о расширении вселенной, вероятно, заронило в вас ошибочную мысль, что у вселенной будто бы есть центр. Нет, центра у вселенной нет. Чтобы понять, почему, нужно немного поговорить об относительности. Мы уже убедились, что специальная теория относительности предполагает тесные взаимоотношения между временем и пространством. А гениальность общей теории относительности заключается в том, что согласно ей гравитация способна искривлять и пространство, и время, а также и то, и другое одновременно.

Расширяющаяся Вселенная как лист резины

Если у вас нет интуитивного ощущения, что такое искривление пространства, не терзайтесь. Запутаться в уравнениях и формулах очень просто. Однако, к счастью, Международная гильдия популяризаторов космологии подобрала прекрасную аналогию, и если вы дадите мне слово не понимать ее чересчур буквально, я последую примеру коллег.

Приклейте на огромный лист резины горстку маленьких пластмассовых галактик.

Найдите компанию силачей и вместе с ними возьмитесь за лист со всех сторон.

Потяните как следует.

Муравей, живущий в одной из галактик, сочтет себя пупом вселенной, поскольку все остальные галактики с его точки зрения будут удаляться. Более того, чем больше расстояние между двумя галактиками, тем быстрее – с точки зрения муравья – они будут удаляться друг от друга: именно этот эффект и наблюдал Хаббл.

Я могу забросить вас в любую галактику, и если у вас достанет эгоцентризма, вы сочтете себя центром вселенной. Однако – и это и есть самое главное – то же самое увидит любой наблюдатель в любой галактике.

Поверните часы вселенной в обратную сторону, и расстояния между всеми галактиками сожмутся до нуля. Где произошел Большой взрыв? А везде!

Однако понимать эту аналогию слишком буквально опасно. Особенно упорный муравей, того и гляди, построит прелестный звездолетик и отправится, например, искать край резинового листа. А вот в нашей (не-резиновой) вселенной достигнуть края в принципе невозможно, нечего даже и мечтать. У вселенной нет центра – и краев тоже нет. Так что у нас остается всего два варианта.

Первый, честно скажу, леденит душу. Может статься, что вселенная и в самом деле бесконечна. То есть не просто очень-очень велика, а действительно бесконечна. Вдумайтесь – бесконечна!

Тороидальная вселенная

Мы еще вернемся к практическим различиям между великанской и бесконечной вселенной, но лично меня гораздо больше утешает вариант номер два: возможно, вселенная замкнута сама на себя. Это как Пак-Ман, который исчезает на одном краю экрана и тут же появляется с противоположной стороны. С точки зрения Пак-Мана, он идет все вперед и вперед и не может дойти до конца.

Не волнуйтесь – Земля ведет себя точно так же. Если не обращать внимания на произвольно установленные нашими собратьями демаркационные линии вроде Линии перемены даты, можно шагать на восток бесконечно – и не дойдешь ни до края, ни до центра. Будешь постоянно проходить одни и те же места – и все.

С практической точки зрения между бесконечной и повторяющейся вселенной нет большой разницы. Расширение вселенной и ограниченная скорость света сговорились не пускать нас даже облететь вселенную и вернуться в исходную точку. Но это не мешает нам задать следующий вопрос: а какого вселенная размера?

Вселенная: одна или множество?

Космос большой. Очень.

А вот какого точно он размера, мы сказать не можем, честное слово. Всю вселенную мы не в состоянии окинуть взглядом, поскольку она существует всего 14 миллиардов лет, а скорость света такая, какая есть. На Земле мы называем линию, дальше которой нам не заглянуть, горизонтом, и ко вселенной в целом это тоже относится.

В принципе, мы можем вписать в этот горизонт триллионы галактик, но нигде не сказано, что на этом все и кончится. Есть вполне реальная вероятность, что вселенная за горизонтом, там, где мы ее не видим, совсем не такая, как поблизости. Мало того, что мы не в состоянии разглядеть, что происходит в сотнях миллиардов световых лет от нас, поскольку вообще все движется либо со скоростью света, либо медленнее: все, что находится за горизонтом, никак не подвержено влиянию происходящего здесь, на Земле.

Но и этого мало: поскольку вселенная расширяется с ускорением, выясняется, что со временем из нашего поля зрения будет исчезать все больше и больше галактик. Галактики в пределах нашего горизонта находятся от нас на расстоянии всего-то 60 миллиардов световых лет. А все, что происходит дальше, навеки останется тайной.

Все, что находится вне нашего горизонта, – это с любой практической точки зрения иная, независимая вселенная, а следовательно, хотим мы этого или нет, мы живем во множественной вселенной – в определенном смысле. Если вы знаток научной фантастики45
Конечно, знаток, как же иначе.

То по крайней мере поверхностно знакомы с идеей множественной вселенной, однако словосочетание «множественная вселенная» каждый понимает по-своему. К счастью для нас, физик из Массачусетского технологического института Макс Тегмарк разработал подробную иерархическую классификацию множественных вселенных. Положа руку на сердце, все в этой классификации, кроме первого уровня, в котором мы и так не сомневаемся, крайне спекулятивно – и чем дальше, тем спекулятивнее. Так что давайте уговоримся, что пока что мы просто навскидку раскладываем все по полочкам.

Множественная вселенная первого уровня. Вселенная очень велика, но это можно понять

С практической точки зрения вполне можно рассматривать любой участок вселенной размером в 100 миллиардов световых лет как остров. Однако если острова не связаны друг с другом, возникает резонный вопрос, почему так вышло и почему каждый отдельный участок обязан быть похожим на все остальные.

Представьте себе, на этот вопрос вполне можно получить ответ. Однако сперва констатируем факт, подтвержденный наблюдениями: нас окружает излучение, оставшееся с начала вселенной, и это излучение однородно с точностью примерно до одной стотысячной. Этот факт становится еще страннее, если вспомнить, что свет, попадающий в нас «сверху» и «снизу» – со стороны северного и южного полюсов – приходит из невероятно отдаленных точек вселенной. Два фотона из этих потоков, скорее всего, никогда не находились в областях, когда-либо бывших в термическом контакте друг с другом.

Это один из самых глубоких и болезненных вопросов в космологии. Первоначально вселенная была очень мала, но длилось это совсем недолго. Похоже, что области, находящиеся на небосводе на расстоянии больше градуса, не имели возможности смешаться друг с другом – и все же вселенная в целом выглядит на удивление однородной. Напомню, что это одно из предположений космологического принципа.

В 1980 годы Алан Гут, который тогда работал в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, выдвинул гипотезу инфляции, позволяющую обойти проблему горизонта. И хотя она плохо укладывается в голове, заранее предупреждаю, что на данный момент инфляционная модель для большинства космологов стала догмой. Она позволяет объяснить огромное количество явлений во вселенной в том виде, в каком мы ее наблюдаем.

В первые мгновения существования множественной вселенной здесь царила кипучая активность, особенно в первые 10 –35 секунд. За этот краткий миг вселенная претерпела колоссальное расширение по экспоненте, и отдельные участки пространства – отдельные пузырьки – выросли в 10 60 и более раз.

Если гипотеза инфляции верна, а мы, повторяю, практически убеждены, что так и есть, то за пределами видимого пространства есть еще много пространства. Каждый пузырек – вселенная в себе, и легко вообразить, что если их достаточное количество, то многие из них могли бы быть похожи на наш, вероятно, даже в точности, как наш. Согласно большинству моделей инфляции пузырьки порождают другие пузырьки – и т. д. до бесконечности, и в результате получается бесконечная вселенная, которая поначалу так сильно нас пугала.

Каких же размеров должна достигнуть множественная вселенная первого уровня, чтобы у каждого человека на Земле появился точный двойник? Просто чудовищных. По оценкам Тегмарка, отсюда до тождественной вселенной примерно 10 в степени 10 29 метров – на страницах этой книги не будет чисел больше этого, кроме самой бесконечности. Имеется в виду, что каждый атом во вселенной-дубликате находится в точности на том же месте и движется с той же скоростью с точностью до квантовой неопределенности, что и в нашей собственной вселенной. А это означает, что если биография вашего двойника и отличается от вашей, мозг двойника устроен так, чтобы он думал, будто у него именно такая биография.

Видите? Мы вернулись к теме близнецов-негодяев!

Если вселенная бесконечна, в ней хватит места не просто для вашего двойника, а для бесчисленного множества ваших двойников!

Это унизительно и немного страшно. Как будто за тобой украдкой подглядывает бесконечное множество шпионов.

Если же вселенная не бесконечна, можно спокойно почивать на лаврах собственной неповторимости. По скромным теоретическим оценкам минимальный размер нашей множественной вселенной – около 10 80 метров, и кажется, будто это много, если не вспоминать, что это лишь крошечная доля пространства, необходимого для появления двойников.

Множественная вселенная второго уровня. Разные вселенные с разными физическими законами

Наш участок вселенной вырос из крошечного клочка только-только зародившейся множественной вселенной, однако, как мы уже поняли, наш пузырек не единственный. Более того, не исключено, что в некоторых из этих пузырьков, а может быть, и во всех, законы физики несколько отличаются от наших. То ли электричество в них немного сильнее или слабее, то ли сильное взаимодействие (скрепляющее нейтроны и протоны) не совсем такое, как у нас, то ли измерений больше трех.

Позвольте прояснить некоторые обстоятельства существования множественных вселенных второго уровня.

1. То, что эта модель верна, неочевидно. Не исключено, что фундаментальные силы на самом деле составляют самую основу всего сущего и что все вселенные построены на одних и тех же физических законах.

2. Если и в самом деле существует множественные вселенные второго уровня, они не обязательно похожи на нашу. Возможно, во многих из них нет ни звезд, ни галактик, какие-то почти совсем пустые, какие-то схлопнулись под воздействием собственной гравитации. Чтобы создать, например, звезды или тяжелые элементы, физика должна быть очень-очень тонко настроена, да и мы тоже, и большинство вселенных просто не проходит отбора.

3. Края у вселенной все равно нет. Вселенные не отгорожены друг от дружки кирпичной стеной. Все вселенные в пределах множественной вселенной второго уровня – это потенциальные множественные вселенные первого уровня.

Однако и на втором уровне история не кончается. Тегмарк предполагает наличие множественных вселенных и третьего, и четвертого уровня, которые еще более спекулятивны и никак не связаны с вопросом о симметриях и о том, одинаковы ли повсеместно законы физики. Но мы про них все равно поговорим, очень уж это интересно.

Множественная вселенная третьего уровня. Множественные миры квантовой механики

Я уже немного говорил о том, как устроена квантовая механика, и большинство физиков просто принимают как данность, что в мире должна быть доля случайности (а может, и львиная доля) и возможность диковинной, хитроумной связи между далеко отстоящими друг от друга событиями.

Однако в этом далеко не все так уж уверены. В 1957 году Хьюго Эверетт, работавший научным консультантом в Пентагоне, придумал «многомировую интерпретацию» квантовой механики. Не то чтобы Эверетт создал совершенно новый набор физических законов. В сущности, вот что он хотел сказать: «Знаете все эти эксперименты, которые показывают квантовое поведение? Так вот, на них можно посмотреть с другой точки зрения».

Согласно многомировой интерпретации, каждый раз, когда квантовое событие можно измерить, создается новый набор вселенных. В одной вселенной можно оценить спин электрона как направленный вверх. В другой – как направленный вниз. Любопытно, что согласно многомировой интерпретации эти вселенные могут взаимодействовать друг с другом, что вызывает странное поведение – квантовую интерференцию.

Как я уже сказал, математически многомировая интерпретация ожидает от квантовых экспериментов того же самого, что и стандартная – копенгагенская – интерпретация, которой придерживается большинство физиков, в том числе и я. Однако еще она обеспечивает нам совершенно новый взгляд на множественную вселенную – причем, честно говоря, этот взгляд предлагает феерические перспективы, если дело вашей жизни – сочинять научную фантастику. И все же вынужден предупредить: если вы подпишетесь на многомировую интерпретацию, уясните себе предельно ясно, что ни Эверетт, ни кто угодно еще не предложил физический механизм путешествия между вселенными. Фантазируйте на здоровье, но отсюда вы никуда не денетесь.

Множественная вселенная четвертого уровня. Если вселенная математически самодостаточна, значит, она существует

На четвертом уровне все становится еще страннее. С первого по третий уровень предполагается, что законы физики хотя бы мимолетно напоминают законы в нашей вселенной. Во множественной вселенной четвертого уровня, как считает Тегмарк, «Все структуры, существующие математически, существуют и физически», хотя не вполне понятно, сколько найдется вселенных, поддающихся математическому описанию.

Насколько нам известно, возможно, что существует какая-то вселенная, где из наших фундаментальных взаимодействий наличествует только одно или вообще нет ни одного. Поскольку мы и в своей-то части множественной вселенной еще не разобрались с физикой до конца, даже если существует множественная вселенная четвертого уровня, мы не можем сказать, каковы составляющие ее вселенные, даже с минимальной долей уверенности.

Беда, с которой мы сталкиваемся всю эту главу, отчасти состоит в том, что мы не знаем, так ли уж необходимы параметры, описывающие нашу вселенную, возможно ли без них существование непротиворечивой вселенной или же они полностью произвольны. Множественная вселенная четвертого уровня по классификации Тегмарка вполне может предполагать существование как бесконечного множества вселенной, так и одной-единственной.

Если у вас и так голова кругом идет от разнообразия множественных вселенных, размышления о возможных наборах параметров едва ли вам помогут.

Однако на самом-то деле разговор у нас пойдет о множественных вселенных первого и второго уровня. В конце концов, на случай, если вы забыли, главная цель нашей беседы – разобраться с вопросом, одинаковы ли законы физики во всей вселенной.

Предназначена ли вселенная для нас?

Я вас уже предупреждал, но дополнительная осторожность не помешает: хотя симметрии позволяют нам лучше понять тайны природы и форму законов физики, они ничего не говорят о конкретном значении постоянных, входящих в эти законы. Мы не собираемся «выводить» массу электрона (по крайней мере, до сих пор нам это не удавалось). Возможно, во вселенной есть нечто фундаментальное, и оно позволит нам вывести все физические константы, однако на данный момент мы блуждаем в потемках. Это означает, что мы не знаем, заложены ли физические постоянные в законах изначально или они оказались такими относительно случайно – как случайна температура за окном в тот или иной день. Симметрия подсказывает, как записать уравнения, однако молчит о числовых значениях переменных.

Есть довольно много параметров, например, заряд электрона, которые взяты более или менее с потолка. Может быть, эти параметры и меняются из конца в конец исполинской вселенной, и отдельным областям – например, нашей наблюдаемой вселенной – просто повезло, что они подходят для возникновения сложной жизни.

В том, что мы по чистой случайности живем в области, законы физики в которой идеально подходят для существования человека, нет ничего загадочного. Иначе и быть не могло! Иначе нас с вами не было бы и некому было бы об этом рассуждать. То есть большинству физиков антропная аргументация и в самом деле не по сердцу. Большинство из нас лелеет надежду, что когда-нибудь потом мы сумеем разработать Теорию Всего, основанную исключительно на основных принципах.

А если они не заложены в саму ткань мироздания, насколько тонкая настройка нужна законам физики, чтобы мы могли существовать? Каковы наши шансы?

Позвольте предвосхитить типичный вопрос о тонкой подстройке вселенной. Почему свет перемещается со скоростью 299 792 458 метров в секунду? Как мы уже видели, краткий ответ состоит в том, что гораздо разумнее просто сказать, что свет перемещается со скоростью одна световая секунда в секунду и оставить в стороне вопрос об определении метра как исторический курьез.

Иначе говоря, значения параметров, выраженные в каких-то единицах, почти никогда не относятся к делу, поскольку, очевидно, они зависят от того, какие единицы выберешь. Я об этом заговорил, поскольку есть несколько способ комбинировать физические постоянные так, чтобы все единицы сократились. Вот, например, так называемая постоянная тонкой структуры (коротко – ПТС), представляющая собой просто число безо всяких единиц.

Что это за буковки? В этом уравнении e – заряд электрона, с – само собой, скорость света, а ћ – постоянная Дирака, она же приведенная постоянная Планка46
Если вы небрежно упомянете о ней на ближайшей коктейль-вечеринке – не упустите случая! – назовите ее «аш-перечеркнутое». Профессионалы сразу поймут.

Она вылезает везде, где замешана квантовая механика.

Значение постоянной тонкой структуры составляет примерно 1⁄137,035 999 08, и она входит в число самых точно подсчитанных постоянных за всю историю физики. И при всей этой точности мы не имеем ни малейшего представления, откуда она взялась. С числами в чистой математике так не бывает. Например, число p вполне можно вывести из основных принципов, даже если вы в жизни не видели круга. Вот как об этом говорит Ричард Фейнман:

Мы прекрасно знаем, какие танцы надо исполнить в экспериментах, чтобы измерить это число с очень большой точностью, но не понимаем, какие танцы надо исполнить на компьютере, чтобы получить это число – разве что тайком ввести его туда!

ПТС – это мера силы электромагнитного взаимодействия и, как вы, вероятно, заметили, она гораздо меньше единицы. С объективной точки зрения электромагнитная сила очень слаба. С другой стороны, по сравнению с другими взаимодействиями электромагнетизм неимоверно силен. Задумайтесь хотя бы о том, что электростатическое отталкивание между нашими кроссовками и полом с легкостью преодолевает гравитационное притяжение всей Земли!

В наших стандартных моделях космологии и физики частиц присутствует по меньшей мере 25 разных безразмерных и, судя по всему, независимых параметров. Предположим, мы возьмем и изменим одну только ПТС. Что будет?

Если бы ПТС была, например, больше 0,1 (примерно в 14 раз больше измеряемой величины), то углерод – а следовательно, и все элементы тяжелее углерода – не мог бы производиться в звездах. Это была бы катастрофа для углеродных форм жизни.

Или возьмем другой параметр – силу сильного ядерного взаимодействия, того самого, благодаря которому не рассыпаются ядра атомов. Если увеличить константу сильного взаимодействия всего на четыре процента, протоны быстро связывались бы друг с другом и формировали гелий‑2, изотоп, у которого вообще нет нейтронов. Звезды быстро выгорали бы и вырабатывали бы только инертный гелий – и ничего интересного так не возникло бы.

Похоже, так же обстоят дела с большинством фундаментальных постоянных. Мы живем во вселенной, где соотношение параметров таково, что обеспечивает наше существование. Это позволяет сделать всего три варианта выводов – причем все они не слишком соблазнительны.

1. Вселенная создана конкретно для людей или для сложной жизни в целом.

2. Параметры вселенной естественным образом следуют из какого-то еще не открытого закона физики, и нам просто чертовски повезло, что этот закон допускает наше существование.

3. Параметры во множественной вселенной варьируются, и по необходимости мы живем в одной из областей (возможно, очень редких), которая способна обеспечить условия для жизни (потому что при другом развитии событий нас бы не было).

Первый вариант попросту не имеет отношения к физике, вот почему он мне не нравится. Второй вариант, похоже, соответствует истине, однако физикам еще предстоит открыть Теорию Всего. А пока об этом можно сказать очень мало, и поэтому второй вариант оставляет у меня ощущение глубокой неудовлетворенности. Что же можно сказать о третьем варианте?

Вместо того чтобы задаваться вопросом, что бы случилось, если бы изменилась ПТС (или любой другой параметр), можно задаться вопросом, ответ на которые дадут наблюдения – вопросом о том, меняется ли она вообще, – а для этого придется заглянуть в пучины пространства.

Если мы хотим посмотреть, как меняется вселенная на космологических расстояниях от нас, придется начать с наблюдения объектов, которые находятся от нас на расстоянии в миллиарды световых лет. К счастью, природа обеспечила нас идеальными маяками – квазарами. В сущности, квазары – это гигантские черные дыры, впитывающие огромные количества вещества. Поскольку вещество падает в них с околосветовой скоростью, оно нагревается и производит излучение в достаточном количестве, чтобы его было видно в дальних уголках Вселенной.

Пространство между нами и квазарами заполнено облаками газа, и этот газ отчасти поглощает излучение по пути к нам. Облака поглощают свет только в определенном диапазоне длин волн, и эти длины определяются значением ПТС. Стоит изменить ПТС, и этот диапазон тоже изменится.

Начиная с 1999 года Джон Уэбб из Университета Нового Южного Уэльса и его сотрудники проверяют, меняется ли ПТС со временем и расстоянием, а для этого они наблюдают фотоны, поглощаемые разнообразными ионами железа и магния в очень далеких облаках. Изучая относительные длины волн поглощенных фотонов, ученые получают возможность сравнить ПТС на космологических расстояниях с тем, что получается по данным лабораторных измерений здесь, на Земле.

Результаты получились крайне неожиданные. Данные наблюдений далеких галактик в одной области неба показывают, что ПТС там примерно на одну стотысячную больше , чем на Земле, а в другой области – на одну стотысячную меньше .

Если эти результаты верны, их значение колоссально. Выходит, что ПТС почему-то варьируется в разных областях вселенной – и не надо забывать, что мы, прежде всего, не знаем, откуда вообще берется значение ПТС. Это плевок в лицо космологическому принципу.

Два очень важных факта. Во-первых, даже если этот результат верен, отклонение необычайно мало. Все то, что наблюдали Уэбб с коллегами, не делает ни тот, ни другой конец наблюдаемой вселенной непригодным для человеческой жизни. Для этого пришлось бы забираться неизмеримо дальше. Во-вторых, большинство физиков пока еще не убеждены, что результат верен. Сигнал относительно слаб, и целый ряд других исследовательских групп его не подтверждают. Лично я пока не собираюсь подбираться к своим учебникам с большой бутылью штрих-корректора. Если законы физики в пределах вселенной и меняются, то очень-очень мало.

В этой бочке дегтя есть, однако, и ложка меда. Даже если это отклонение и вправду есть, оно так незначительно, что мы можем ввести еще одну симметрию.

Трансляционная симметрия: законы физики в точности одинаковы во всех местах во Вселенной.

Крупномасштабная однородность – общее единообразие – структуры вселенной показывает, или по крайней мере предполагает, что во вселенной заложена трансляционная симметрия.

Стр. 1 из 85

© 2013 by Dave Goldberg

© Бродоцкая А. перевод на русский язык, 2015

© ООО «Издательство АСТ», 2015

* * *

Отзывы на книгу
«Вселенная в зеркале заднего вида»

«Вселенная в зеркале заднего вида» - великолепное чтение для каждого, кто стремится понять, почему наша вселенная так сложна и так чудесна… Голдберг - великолепный спутник, который доведет вас к месту назначения - к восхищению красотой мироздания.

Математические симметрии таят в себе ответы на множество вопросов, однако Голдберг на протяжении всей своей остроумной и легкой книги расставляет для читателя вехи, не перегруженные математическими выкладками. Совет: не пропускайте многочисленные сноски, полные юмора для высоколобых!

У Голдберга тонкое чувство юмора и абсурда - и он прекрасно умеет объяснять, почему то, что мы воспринимаем как должное, например, равенство гравитационной и инерционной масс, на самом деле очень странно и ни капли не очевидно… Эта книга немного похожа на лихие американские горки, построенные через толкиновскую Морию.

Надо же, какой, оказывается, интересной может быть тема симметрии! Физик Дэйв Голдберг увлекает читателя прямо в водоворот масштабных физических концепций, но при этом правит кораблем так ловко, что читатель не рискует утонуть.

Содержательная, не перегруженная математикой и необычайно увлекательная книга о концепции симметрии в физике… Книга Голдберга от начала и до конца написана доступно и с юмором… Свои объяснения автор щедро приправляет отсылками к популярной культуре - от «Доктора Кто» и Льюиса Кэрролла до «Angry Birds» - и благодаря прелестной манере изложения делает простыми даже самые сложные темы.

Голдберг рассказывает о десятке самых фундаментальных качеств вселенной с неизменным юмором и при этом тонко, глубоко и понятно.

Эта книга - веселое и увлекательное исследование основных физических понятий, в которую, помимо всего прочего, входит рассказ об одной из невоспетых героинь физики, об исполине, на чьих плечах стояли многие физики - об Эмми Нётер!

Дэйв Голдберг устраивает настоящий луна-парк из увлекательных курьезов, головоломных парадоксов и тонкого юмора… Он великолепно разъясняет читателю, какова роль симметрии в физике, астрономии и математике. Прекрасный рассказ о прекрасной вселенной!

Не оторваться! Эта книга - настоящий подарок любому читателю, которому любопытно узнать обо всех диковинах нашей чудесной вселенной. Если бы фундаментальные понятия и законы физики преподавались в школах так понятно и весело, как рассказывает о них Дэйв Голдберг в своей книге, нам гораздо лучше удавалось бы привлекать в науку молодежь.

Эта книга почти так же масштабна по тематике, как и физическая вселенная, о которой она так замечательно повествует. Но главное, пожалуй, то, что Голдберг подробно пишет о недооцененных заслугах Эмми Нётер. Ее теорема, согласно которой каждой симметрии соответствует сохраняющаяся величина, объединяет самые разные области физики, а Голдберг объясняет, как и почему.

Дэйв Голдберг рассказывает о том, как симметрия формирует вселенную, с таким мастерством, что читать его книгу - сплошное удовольствие. От его рассказов - от «коана о каонах» и муравьиного царства до суеты вокруг бозона Хиггса - невозможно оторваться, и при этом они необычайно познавательны.

Читать эту книгу - все равно что слушать лекцию самого замечательного преподавателя физики на свете! Голдберг рассказывает о физике все, что вы хотели знать, но стеснялись спросить, например, можно ли построить «Тардис», или что будет, если Землю засосет в черную дыру. Обязательное чтение для каждого, кто хочет понять природу вселенной - и при этом посмеяться!

Посвящается Эмили, Уилле и Лили - вы моя жизнь, любовь и вдохновение

Следует помнить, что то, что мы наблюдаем - это не природа как таковая, а природа, подвергнутая нашему методу задавать вопросы.

Вернер Гейзенберг

Введение
В котором я рассказываю, что да как, поэтому его лучше не пролистывать

Почему на свете есть что-то, а не ничего? Почему будущее не такое, как прошлое? Почему серьезному человеку приходят в голову подобные вопросы?

Когда говоришь о популярной науке, впадаешь в этакий удалой скептицизм посвященного. Почитаешь все эти твиты и блоги - и складывается впечатление, будто теория относительности - не более чем досужая болтовня какого-то пижона на вечеринке, а не одна из самых удачных физических теорий в истории человечества, которая вот уже сто лет выдерживает все экспериментальные и наблюдательные проверки.

С точки зрения непосвященного, физика что-то уж больно перегружена всякими законами и формулами. Неужели нельзя попроще? Да и сами физики зачастую упиваются отстраненной сложностью своих конструкций. Когда сто лет назад сэра Артура Эддингтона спросили, правда ли, что общую теорию относительности Эйнштейна понимают всего три человека в мире, он задумался, а потом небрежно заметил: «Пытаюсь понять, кто же третий». Сегодня теория относительности входит в стандартный арсенал каждого физика, ее изо дня в день преподают вчерашним, а то и сегодняшним школьникам. Так что пора отказаться от высокомерной мысли, что понимание тайн мироздания доступно лишь гениям.

Глубокие озарения, касающиеся устройства нашего мира, почти никогда не были результатом изобретения новой формулы, будь ты Эддингтон или Эйнштейн. Наоборот, прорывы почти всегда происходят тогда, когда мы понимаем, что раньше мы думали, будто это разные вещи, а на самом деле это одно и то же. Чтобы понять, как все устроено, надо разобраться в симметрии.

Великий физик XX века, нобелевский лауреат Ричард Фейнман уподобил мир физики игре в шахматы. Шахматы - игра, полная симметрии. Поверни доску на пол-оборота - она будет выглядеть точно так же, как и в начале. Фигуры на одной стороне, за исключением цвета, - почти что идеальное зеркальное отражение фигур на другой. Даже правила игры обладают симметрией. Вот как говорит об этом Фейнман:

По правилам, слон движется по шахматной доске только по диагонали. Можно сделать вывод, что сколько бы ходов ни миновало, определенный слон всегда останется на белом поле… Так и будет, причем довольно долго - но вдруг мы обнаруживаем, что слон оказался на черном поле (на самом-то деле произошло вот что: за это время слона съели, но одна из пешек дошла до последнего ряда и стала слоном на черном поле). Так и с физикой. У нас есть закон, который долго-долго действует универсально, даже когда мы не можем отследить все подробности, а потом наступает момент, когда мы можем открыть новый закон .

Дэйв Голдберг

Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса

© 2013 by Dave Goldberg

© Бродоцкая А. перевод на русский язык, 2015

© ООО «Издательство АСТ», 2015

* * *

Отзывы на книгу

«Вселенная в зеркале заднего вида»

«Вселенная в зеркале заднего вида» – великолепное чтение для каждого, кто стремится понять, почему наша вселенная так сложна и так чудесна… Голдберг – великолепный спутник, который доведет вас к месту назначения – к восхищению красотой мироздания.

Математические симметрии таят в себе ответы на множество вопросов, однако Голдберг на протяжении всей своей остроумной и легкой книги расставляет для читателя вехи, не перегруженные математическими выкладками. Совет: не пропускайте многочисленные сноски, полные юмора для высоколобых!

У Голдберга тонкое чувство юмора и абсурда – и он прекрасно умеет объяснять, почему то, что мы воспринимаем как должное, например, равенство гравитационной и инерционной масс, на самом деле очень странно и ни капли не очевидно… Эта книга немного похожа на лихие американские горки, построенные через толкиновскую Морию.

Надо же, какой, оказывается, интересной может быть тема симметрии! Физик Дэйв Голдберг увлекает читателя прямо в водоворот масштабных физических концепций, но при этом правит кораблем так ловко, что читатель не рискует утонуть.

Содержательная, не перегруженная математикой и необычайно увлекательная книга о концепции симметрии в физике… Книга Голдберга от начала и до конца написана доступно и с юмором… Свои объяснения автор щедро приправляет отсылками к популярной культуре – от «Доктора Кто» и Льюиса Кэрролла до «Angry Birds» – и благодаря прелестной манере изложения делает простыми даже самые сложные темы.

Голдберг рассказывает о десятке самых фундаментальных качеств вселенной с неизменным юмором и при этом тонко, глубоко и понятно.

Эта книга – веселое и увлекательное исследование основных физических понятий, в которую, помимо всего прочего, входит рассказ об одной из невоспетых героинь физики, об исполине, на чьих плечах стояли многие физики – об Эмми Нётер!

Дэйв Голдберг устраивает настоящий луна-парк из увлекательных курьезов, головоломных парадоксов и тонкого юмора… Он великолепно разъясняет читателю, какова роль симметрии в физике, астрономии и математике. Прекрасный рассказ о прекрасной вселенной!

Не оторваться! Эта книга – настоящий подарок любому читателю, которому любопытно узнать обо всех диковинах нашей чудесной вселенной. Если бы фундаментальные понятия и законы физики преподавались в школах так понятно и весело, как рассказывает о них Дэйв Голдберг в своей книге, нам гораздо лучше удавалось бы привлекать в науку молодежь.

Эта книга почти так же масштабна по тематике, как и физическая вселенная, о которой она так замечательно повествует. Но главное, пожалуй, то, что Голдберг подробно пишет о недооцененных заслугах Эмми Нётер. Ее теорема, согласно которой каждой симметрии соответствует сохраняющаяся величина, объединяет самые разные области физики, а Голдберг объясняет, как и почему.

Дэйв Голдберг рассказывает о том, как симметрия формирует вселенную, с таким мастерством, что читать его книгу – сплошное удовольствие. От его рассказов – от «коана о каонах» и муравьиного царства до суеты вокруг бозона Хиггса – невозможно оторваться, и при этом они необычайно познавательны.

Читать эту книгу – все равно что слушать лекцию самого замечательного преподавателя физики на свете! Голдберг рассказывает о физике все, что вы хотели знать, но стеснялись спросить, например, можно ли построить «Тардис», или что будет, если Землю засосет в черную дыру. Обязательное чтение для каждого, кто хочет понять природу вселенной – и при этом посмеяться!

Посвящается Эмили, Уилле и Лили – вы моя жизнь, любовь и вдохновение

Следует помнить, что то, что мы наблюдаем – это не природа как таковая, а природа, подвергнутая нашему методу задавать вопросы.

Вернер Гейзенберг

Введение

В котором я рассказываю, что да как, поэтому его лучше не пролистывать

Почему на свете есть что-то, а не ничего? Почему будущее не такое, как прошлое? Почему серьезному человеку приходят в голову подобные вопросы?

Когда говоришь о популярной науке, впадаешь в этакий удалой скептицизм посвященного. Почитаешь все эти твиты и блоги – и складывается впечатление, будто теория относительности – не более чем досужая болтовня какого-то пижона на вечеринке, а не одна из самых удачных физических теорий в истории человечества, которая вот уже сто лет выдерживает все экспериментальные и наблюдательные проверки.

С точки зрения непосвященного, физика что-то уж больно перегружена всякими законами и формулами. Неужели нельзя попроще? Да и сами физики зачастую упиваются отстраненной сложностью своих конструкций. Когда сто лет назад сэра Артура Эддингтона спросили, правда ли, что общую теорию относительности Эйнштейна понимают всего три человека в мире, он задумался, а потом небрежно заметил: «Пытаюсь понять, кто же третий». Сегодня теория относительности входит в стандартный арсенал каждого физика, ее изо дня в день преподают вчерашним, а то и сегодняшним школьникам. Так что пора отказаться от высокомерной мысли, что понимание тайн мироздания доступно лишь гениям.

Глубокие озарения, касающиеся устройства нашего мира, почти никогда не были результатом изобретения новой формулы, будь ты Эддингтон или Эйнштейн. Наоборот, прорывы почти всегда происходят тогда, когда мы понимаем, что раньше мы думали, будто это разные вещи, а на самом деле это одно и то же. Чтобы понять, как все устроено, надо разобраться в симметрии.

Великий физик XX века, нобелевский лауреат Ричард Фейнман уподобил мир физики игре в шахматы. Шахматы – игра, полная симметрии. Поверни доску на пол-оборота – она будет выглядеть точно так же, как и в начале. Фигуры на одной стороне, за исключением цвета, – почти что идеальное зеркальное отражение фигур на другой. Даже правила игры обладают симметрией. Вот как говорит об этом Фейнман:

По правилам, слон движется по шахматной доске только по диагонали. Можно сделать вывод, что сколько бы ходов ни миновало, определенный слон всегда останется на белом поле… Так и будет, причем довольно долго – но вдруг мы обнаруживаем, что слон оказался на черном поле (на самом-то деле произошло вот что: за это время слона съели, но одна из пешек дошла до последнего ряда и стала слоном на черном поле). Так и с физикой. У нас есть закон, который долго-долго действует универсально, даже когда мы не можем отследить все подробности, а потом наступает момент, когда мы можем открыть новый закон .

Понаблюдайте за игрой еще несколько раз – и вас внезапно осенит, что слон остается на полях одного и того же цвета именно потому, что ходит только по диагонали. Закон сохранения цвета обычно действует, однако более глубокий закон требует более глубокого объяснения.

Симметрия в природе проявляется практически везде – даже если она ничем не примечательна или даже очевидна и банальна. Крылья бабочки – идеальное отражение друг друга. Функции их идентичны, однако я бы очень сильно пожалел бедняжку-бабочку с двумя левыми или двумя правыми крыльями – она бы беспомощно летала по кругу. Симметрия и асимметрия в природе, как правило, вынуждены соревноваться друг с другом. В конечном итоге симметрия – инструмент, при помощи которого мы не просто формулируем законы, но и разбираемся, почему они действуют.

Скажем, пространство и время совсем не так различны, как может показаться. Они словно правое и левое крылья бабочки. Подобие между ними и легло в основу специальной теории относительности – и породило самую знаменитую формулу во всей физике. По всей видимости, законы физики не меняются со временем – эта симметрия позволяет сделать вывод о сохранении энергии. И это тоже хорошо: именно благодаря сохранению энергии наша гигантская батарейка – Солнце – умудряется питать всю жизнь на Земле.

Для многих из нас (ну ладно, для физиков) законы симметрии, обнаруживаемые при изучении физической вселенной, столь же прекрасны, что и симметрия бриллианта, снежинки или идеализированная эстетика совершенно симметричного человеческого лица.

Об этом замечательно пишет математик Маркус дю Сотой:

Лишь самые приспособленные, самые здоровые растения обладают запасом энергии, который позволяет им соблюдать равновесие при создании своей формы. Симметричный цветок превосходит асимметричные, и это отражается в том, что он производит больше нектара и в этом нектаре больше содержание сахара. Симметрия сладка на вкус.

Задачки, которые ставит перед нами симметрия, несказанно радуют наш ум. Американские кроссворды, как правило, представляют собой узор из черных и белых квадратиков, который не меняется, если повернуть всю картинку на пол-оборота или посмотреть на нее в зеркало. На симметрии построены и многие шедевры живописи и архитектуры – пирамиды, Эйфелева башня, Тадж-Махал.

Стоит обыскать задворки сознания – и наверняка вспомнишь пять платоновых тел. Правильных многогранников с одинаковыми гранями всего пять: это тетраэдр (четыре грани), куб (шесть), октаэдр (восемь), додекаэдр (двенадцать) и икосаэдр (двадцать). Какой-нибудь ученый зануда, например, я, с нежностью вспомнит детство и поймет, что именно так выглядели кости в наборе для игры в «Dungeons & Dragons».

Иногда, в повседневном общении, слово «симметрия» относится просто к тому, как предметы «соответствуют» друг другу или «отражают» друг друга, но на самом деле у этого понятия, конечно, есть точное определение. Формулировка, на которую мы будем опираться на страницах этой книги, принадлежит математику Герману Вейлю:

Объект называется симметричным, если с ним можно произвести какие-то действия, и после этого он будет выглядеть так же, как раньше.

Рассмотрим равносторонний треугольник. С этим треугольником можно вытворять все что угодно – а он все равно останется совершенно таким же, как раньше. Можно повернуть его на треть оборота – и он будет выглядеть как прежде. А можно посмотреть на него в зеркало – и отражение будет точно таким же, как оригинал.

Равносторонний треугольник

Круг – идеальный симметричный объект. В отличие от треугольников, которые выглядят как прежде, только если повернуть их на определенный угол, круг можно вертеть как хочешь, и он останется прежним. Не хотелось бы втолковывать очевидное, однако именно по этому принципу работает колесо.

Задолго до того, как мы поняли, как движутся планеты, Аристотель предположил, что их орбиты должны быть круглыми – именно из-за «совершенства» круга как симметричной формы. Аристотель заблуждался – и ничего удивительного: он заблуждался почти во всем, что касается физического мира.

Велик соблазн, высмеивая древних, погрязнуть в сладостном самодовольстве, однако Аристотель был прав в одном, но очень важном. Хотя планеты на самом деле вращаются вокруг Солнца по эллипсам, гравитационная сила, влекущая их к Солнцу, одинакова по всем направлениям. Гравитация симметрична. Из этого предположения и остроумной догадки о том, как гравитация ослабляется с расстоянием, сэр Исаак Ньютон сделал верный вывод о движении планет. В частности, поэтому вам так хорошо знакомо это имя, хотя причин тому множество. Фигуры, которые выглядят совсем не так идеально, как круг – эллиптические орбиты планет – это следствие гораздо более глубинной симметрии.

Симметрии указывают нам на подлинные принципы природы. Никто не мог понять, как устроен механизм наследственности, пока Розалинда Франклин не сделала рентгеновский снимок ДНК, который позволил Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику открыть двойную спиральную структуру. А эта структура, состоящая из двух взаимодополняющих спиральных нитей, позволила нам разобраться в методе копирования и наследования.

Двойная спираль ДНК

Если вы вращаетесь в кругах, совершенно оторванных от жизни ученых чудаков, то, вероятно, слышали, как кто-нибудь из них называет ту или иную теорию «естественной» или «красивой». Обычно это означает, что предположение, на котором основана теория, настолько просто, что просто обязано быть верным. Иными словами, начав с очень простого правила, можно описать всевозможные сложные системы, например, гравитацию вокруг черных дыр или фундаментальные законы природы.

Будет лишь небольшим преувеличением сказать, что физика – это изучение симметрии.

Иногда симметрия так очевидна, что кажется совершенно банальной – однако приводит к невероятно контринтуитивным результатам. Когда катаешься на американских горках, организм не в состоянии различить, что вжимает его в сиденье – гравитация или ускорение вагонетки: ощущается это одинаково. Когда Эйнштейн предположил, что «ощущается одинаково» означает «и есть одно и то же», то вывел законы, по которым действует гравитация, а впоследствии это привело к гипотезе о существовании черных дыр.

Или, скажем, то обстоятельство, что можно поменять местами две частицы одинакового типа, неизбежно приводит к пониманию того, какая участь ожидает наше Солнце, и к загадочному принципу запрета Паули, а в конечном итоге – к функционированию нейтронных звезд и всей химии на свете.

А вот течение времени, с другой стороны, кажется столь же очевидно асимметричным . Прошлое отличается от будущего, это уж точно. Однако, как ни странно, законы физики ничего не знают об оси времени – им забыли о ней сказать. На микроскопическом уровне практически любой мыслимый эксперимент замечательно идет и туда, и обратно.

Тут легко поддаться стремлению обобщать и предположить, будто все на свете симметрично. Я с вами, читатель, незнаком и поэтому готов делать самые оскорбительные предположения. В старших классах или в институте вы хотя бы раз участвовали в мозголомной беседе на тему «А вдруг, ребята, наша вселенная – всего лишь атом в какой-то огромной-преогромной вселенной?»

Успели ли вы повзрослеть с тех пор? Признайтесь, вы прекрасно знаете, про что фильм «Люди в черном», и с нежностью вспоминаете, как в детстве читали «Слон Хортон слышит кого-то» – однако даже сейчас невольно задумываетесь, не существует ли где-нибудь миниатюрная вселенная, выходящая далеко за рамки нашего восприятия.

Нет, дружище, ответ отрицательный – но тут следует задаться несколько более глубоким вопросом: а почему?

Если можно что-то увеличить или уменьшить, не меняя его, значит, перед нами определенного рода симметрия. Те из вас, кто читал «Гулливера», вспомнят, наверное, что стоило нам повстречаться с лилипутами , как Джонатан Свифт пускается в длиннейшие подробнейшие рассуждения обо всем, что следует из разницы в росте между Гулливером и лилипутами, а затем и между Гулливером и великанами-бробдингнегами. Тут Свифт явно перестарался – он пишет соотношении размеров всего на свете, от длины шага до количества местных животных, которое требовалось Гулливеру, чтобы насытиться.

Однако уже во времена Свифта никто не сомневался, что существование таких стран и народов (про говорящих лошадей вообще молчу) противоречит законам физики. Веком раньше Галилео Галилей написал «Две новые науки», где исследовал возможность существования великанов с научной точки зрения . Всласть порассуждав, он сделал вывод, что предположение ложно – лишив таким образом грядущие поколения возможности повеселиться. Беда в том, что кость, увеличиваясь в длину в два раза, становится тяжелее в восемь раз, а ее поверхность увеличивается всего в четыре раза. Так что она сломается, не выдержав собственного веса. Вот как пишет об этом сам Галилей:

Дуб высотой двести локтей не смог бы удержать собственные ветви, будь они распределены так же, как и на дереве обычной высоты; и природа не может породить лошадь в двадцать раз больше обычной лошади или великана в десять раз выше обычного человека, разве что чудом или сильно изменив пропорции его тела, в особенности костей, которые должны быть значительно увеличены по сравнению с обычными.

Потому-то маленькая собачка может иногда нести на спине двух-трех собачек своего размера, однако, полагаю, конь не сможет нести даже одного такого же коня.

Вот почему Человек-паук так скверно придуман . Он не мог бы обладать пропорционально увеличенной силой паука. Иначе он был бы такого массивного сложения, что его не пришлось бы даже давить. Гравитация все сделала бы сама. Как пишет биолог Дж. Б. С. Холдейн в своем эссе «О том, как важно быть нужного размера» (J. B. S. Haldane, «On Being the Right Size »):

Вот почему насекомое не боится гравитации – оно может упасть и остаться целым и невредимым, оно может прицепиться к потолку, затратив на удивление мало усилий… Однако есть на свете сила, которой насекомое страшится так же, как млекопитающее – гравитации. Это поверхностное натяжение… Насекомое, которое решило попить, находится в такой же опасности, как и человек, свесившийся с края бездонной пропасти в поисках пропитания. Стоит насекомому попасться в сети поверхностного натяжения воды – то есть попросту намокнуть – и оно, скорее всего, не сможет выбраться и утонет.

На самом деле проблема куда глубже, чем прочность великаньих костей на разрыв и пропорциональная сила насекомых. Все предметы, сопоставимые с размерами человека, вроде бы можно пропорционально уменьшать и увеличивать без особого ущерба – шестиметровый робот-убийца, судя по всему, при совершенно том же устройстве, что и его трехметровая модель, будет работать вдвое лучше, – но если перейти на масштабы атомов и молекул, все прогнозы перестают оправдываться. Мир атомов – это еще и мир квантовой механики, а это означает, что конкретность нашего макроскопического существования внезапно сменяется неопределенностью.

Иначе говоря, сам акт масштабирования не имеет отношения к симметрии природы. Карта космической сети галактик и правда слегка смахивает на изображение нейронов, но это не какая-то великая вселенская симметрия. Это совпадение. Я мог бы и дальше описывать разные случаи симметрии один за другим, но, надеюсь, в общем и целом объяснил, что к чему. Одни изменения имеют значение, другие нет. В этой книге я решил применить вот какой подход: каждую главу посвятить отдельному вопросу, на который, как потом выяснится, есть ответ, пусть и косвенный, и дают его фундаментальные симметрии вселенной.

А с другой стороны – даже правая рука у человека отличается от левой. Одна из главных загадок, над которыми размышляют люди, состоит в том, что в каком-то смысле вселенная не симметрична. Сердце у вас в левой стороне груди, будущее не такое же, как прошлое, вы состоите из вещества, а не из антивещества. Так что эта книга – это книга еще и о нарушенной и несовершенной симметрии, возможно, даже в большей степени, чем о симметрии идеальной. Народная мудрость гласит, что персидский ковер совершенен в своем несовершенстве и идеален в своей неидеальности. Узор на настоящих, традиционных коврах чуть-чуть неточен, и нарушение симметрии придает всему изделию больше индивидуальности. Точно так же происходит и с законами природы – и это прекрасно: идеально симметричная вселенная была бы чудовищно скучной. А нашу вселенную скучной не назовешь.

Вселенная, которую мы видим в зеркале заднего вида, ближе, чем кажется, и это все меняет. Но давайте не будем смотреть назад – мы ведь отправляемся в долгую экскурсию по вселенной. А нашим экскурсоводом будет симметрия, зато когда она нарушится, нам будет о чем написать домой.

Глава первая. Антивещество

Из которой мы узнаем, почему на свете есть что-то, а не ничего

Смотреть научно-фантастические фильмы в надежде узнать что-то новое о науке – затея в целом бессмысленная. В числе прочего вы получите очень искаженное представление, например, о том, как грохочут в космосе взрывы (они бесшумные), как просто развить сверхсветовую скорость (а никак), как много в космосе англоговорящих и не вполне гуманоидных, но все равно дьявольски привлекательных инопланетянок (они все замужем). Однако всяческие «Звездные войны» и «Звездные пути» внушили нам одну очень правильную идею: с антивеществом шутки плохи.

В антивеществе скрыта такая потрясающая мощь, что устоять перед соблазном просто невозможно, и если писатель-фантаст хочет добавить в свое варево «настоящей физики», он почти всегда тянется за щепоткой антивещества: оно придаст весу в глазах читателей. Двигатель космического корабля «Энтерпрайз» работал на взаимодействии вещества и антивещества. Айзек Азимов снабдил своих роботов позитронным мозгом – и превратил позитрон, частицу антивещества, в научно-фантастический макгаффин .

Даже в «Ангелах и демонах» Дэна Брауна – книге, которую едва ли можно причислить к настоящей научной фантастике, – антивещество служит своего рода адской машиной. Злодеи крадут полграмма антивещества – и этого количества хватит, чтобы устроить взрыв, по мощности сопоставимый с первыми ядерными бомбами. Не считая того, что Дэн Браун ошибся в арифметических расчетах в два раза , совершенно не разобрался, что на самом деле происходит в ускорителе частиц, и промахнулся примерно в триллион раз, когда прикидывал, сколько антивещества можно хранить и перевозить, с научной частью у него все в порядке.

Выходит, мы постоянно сталкиваемся с антивеществом – однако совершенно неправильно понимаем, что это такое. Эта субстанция – отнюдь не неостановимый убийца, к которому вы за столько лет привыкли относиться с недоверием. Если антивещество не трогать, оно ведет себя довольно мирно. Антивещество – совсем как обычное вещество, которое вы знаете и любите – например, оно обладает той же массой, – просто наоборот: противоположный заряд и противоположное название. Жареным запахнет, только если смешать антивещество с обычным веществом.

Мало того что антивещество ничем не экзотичнее обычного вещества, оно еще и выглядит и ведет себя совершенно так же практически во всех важных ситуациях. Если бы все частицы во вселенной вдруг оказались заменены своей антиверсией, вы бы ничего не заметили. Проще говоря, в том, как законы физики обращаются с веществом и антивеществом, тоже есть симметрия, и все же они должны быть чуточку разными: ведь и вы, и все ваши знакомые сделаны не из антивещества, а из обычного вещества.

Нам нравится думать, что случайностей не бывает, что есть какая-то глобальная причина, по которой вы не сидите в данный момент в комнате, битком набитой антилюдьми. Чтобы разобраться, в чем тут дело, мы углубимся в прошлое.

Да ну их, антилюдей, сам-то я откуда взялся?

Объяснить, откуда что-то взялось, бывает непросто. Не всегда удается аккуратненько списать все на укус радиоактивного паука, взрыв родной планеты или даже оживление трупа (науки ради, сами понимаете). История нашего собственного происхождения весьма заковыриста, однако вам будет приятно узнать, что мы (совсем как Халк) в конечном итоге – результат воздействия гамма-излучения. Это долгая история.

Физика пока не может ответить даже на вопрос, откуда взялась сама вселенная, зато мы можем многое сказать о том, что было после этого. Рискуя вызвать экзистенциальный кризис, мы можем по крайней мере попытаться ответить на один из величайших вопросов философии, прямо-таки большую шишку из ее пантеона: «Почему на свете есть что-то, а не ничего?»

Вопрос не такой тупой, как может показаться. На основании всего того, что мы наблюдаем в лаборатории, вы существовать не должны. Ничего личного. Я тоже не должен существовать, а также Солнце, галактика Млечный Путь и кино «Сумерки» (по великому множеству причин).

Чтобы понять, почему вы не должны существовать, нам нужно заглянуть в зеркальные вселенные, вселенные из антивещества и нашу собственную вселенную на мельчайшем масштабе. Только на мельчайшем масштабе проявляется разница между веществом и антивеществом, и даже тогда она далеко не очевидна.

Вселенная на мельчайшем масштабе совсем другая . Все, что мы видим, состоит из молекул, самые маленькие из которых размером около миллионной доли миллиметра. Если сравнить это с величинами человеческого масштаба, то человеческий волос имеет толщину примерно в сто тысяч молекул. Да, молекулы очень маленькие , но какими бы они ни были маленькими, они состоят из частиц еще меньших. И это тоже хорошо – если мы заинтересованы в том, чтобы найти в мире хоть какой-то порядок. По данным Королевского химического общества, мы знаем около 20 миллионов разных видов молекул, а новые соединения открывают так часто, что нечего даже и пытаться назвать точное число. Если бы мы не понимали, что молекулы состоят из чего-то еще меньшего, мы бы погрязли в их перечислении .

К счастью для вселенского порядка, если брать все меньший и меньший масштаб, появляются новые структуры. На масштабе меньше десяти миллиардных метра мы начинаем различать отдельные атомы. Химических элементов нам известно лишь 118, и большинство из них в природе не встречается вообще или встречается лишь в ничтожных количествах.

Дэйв Голдберг

© 2013 by Dave Goldberg

© Бродоцкая А. перевод на русский язык, 2015

© ООО «Издательство АСТ», 2015

«Вселенная в зеркале заднего вида» – великолепное чтение для каждого, кто стремится понять, почему наша вселенная так сложна и так чудесна… Голдберг – великолепный спутник, который доведет вас к месту назначения – к восхищению красотой мироздания.

Nature Physics

Математические симметрии таят в себе ответы на множество вопросов, однако Голдберг на протяжении всей своей остроумной и легкой книги расставляет для читателя вехи, не перегруженные математическими выкладками. Совет: не пропускайте многочисленные сноски, полные юмора для высоколобых!

Discover

У Голдберга тонкое чувство юмора и абсурда – и он прекрасно умеет объяснять, почему то, что мы воспринимаем как должное, например, равенство гравитационной и инерционной масс, на самом деле очень странно и ни капли не очевидно… Эта книга немного похожа на лихие американские горки, построенные через толкиновскую Морию.

New Scientist

Надо же, какой, оказывается, интересной может быть тема симметрии! Физик Дэйв Голдберг увлекает читателя прямо в водоворот масштабных физических концепций, но при этом правит кораблем так ловко, что читатель не рискует утонуть.

Nature

Содержательная, не перегруженная математикой и необычайно увлекательная книга о концепции симметрии в физике… Книга Голдберга от начала и до конца написана доступно и с юмором… Свои объяснения автор щедро приправляет отсылками к популярной культуре – от «Доктора Кто» и Льюиса Кэрролла до «Angry Birds» – и благодаря прелестной манере изложения делает простыми даже самые сложные темы.

Publishers Weekly

Голдберг рассказывает о десятке самых фундаментальных качеств вселенной с неизменным юмором и при этом тонко, глубоко и понятно.

Kirkus Reviews

Эта книга – веселое и увлекательное исследование основных физических понятий, в которую, помимо всего прочего, входит рассказ об одной из невоспетых героинь физики, об исполине, на чьих плечах стояли многие физики – об Эмми Нётер!

Дэйв Голдберг устраивает настоящий луна-парк из увлекательных курьезов, головоломных парадоксов и тонкого юмора… Он великолепно разъясняет читателю, какова роль симметрии в физике, астрономии и математике. Прекрасный рассказ о прекрасной вселенной!

Не оторваться! Эта книга – настоящий подарок любому читателю, которому любопытно узнать обо всех диковинах нашей чудесной вселенной. Если бы фундаментальные понятия и законы физики преподавались в школах так понятно и весело, как рассказывает о них Дэйв Голдберг в своей книге, нам гораздо лучше удавалось бы привлекать в науку молодежь.

Приямвада Натараян , председатель отделений физики и астрономии Женского преподавательского форума при Йельском университете

Эта книга почти так же масштабна по тематике, как и физическая вселенная, о которой она так замечательно повествует. Но главное, пожалуй, то, что Голдберг подробно пишет о недооцененных заслугах Эмми Нётер. Ее теорема, согласно которой каждой симметрии соответствует сохраняющаяся величина, объединяет самые разные области физики, а Голдберг объясняет, как и почему.

Джон Аллен Паулос , преподаватель математики в Университете Темпл, автор книги «Innumeracy»

Дэйв Голдберг рассказывает о том, как симметрия формирует вселенную, с таким мастерством, что читать его книгу – сплошное удовольствие. От его рассказов – от «коана о каонах» и муравьиного царства до суеты вокруг бозона Хиггса – невозможно оторваться, и при этом они необычайно познавательны.

Дж. Ричард Готт , преподаватель астрофизики в Принстонском университете

Читать эту книгу – все равно что слушать лекцию самого замечательного преподавателя физики на свете! Голдберг рассказывает о физике все, что вы хотели знать, но стеснялись спросить, например, можно ли построить «Тардис», или что будет, если Землю засосет в черную дыру. Обязательное чтение для каждого, кто хочет понять природу вселенной – и при этом посмеяться!

Посвящается Эмили, Уилле и Лили – вы моя жизнь, любовь и вдохновение

Следует помнить, что то, что мы наблюдаем – это не природа как таковая, а природа, подвергнутая нашему методу задавать вопросы.

Вернер Гейзенберг

Почему на свете есть что-то, а не ничего? Почему будущее не такое, как прошлое? Почему серьезному человеку приходят в голову подобные вопросы?

Когда говоришь о популярной науке, впадаешь в этакий удалой скептицизм посвященного. Почитаешь все эти твиты и блоги – и складывается впечатление, будто теория относительности – не более чем досужая болтовня какого-то пижона на вечеринке, а не одна из самых удачных физических теорий в истории человечества, которая вот уже сто лет выдерживает все экспериментальные и наблюдательные проверки.

С точки зрения непосвященного, физика что-то уж больно перегружена всякими законами и формулами. Неужели нельзя попроще? Да и сами физики зачастую упиваются отстраненной сложностью своих конструкций. Когда сто лет назад сэра Артура Эддингтона спросили, правда ли, что общую теорию относительности Эйнштейна понимают всего три человека в мире, он задумался, а потом небрежно заметил: «Пытаюсь понять, кто же третий». Сегодня теория относительности входит в стандартный арсенал каждого физика, ее изо дня в день преподают вчерашним, а то и сегодняшним школьникам. Так что пора отказаться от высокомерной мысли, что понимание тайн мироздания доступно лишь гениям.

Глубокие озарения, касающиеся устройства нашего мира, почти никогда не были результатом изобретения новой формулы, будь ты Эддингтон или Эйнштейн. Наоборот, прорывы почти всегда происходят тогда, когда мы понимаем, что раньше мы думали, будто это разные вещи, а на самом деле это одно и то же. Чтобы понять, как все устроено, надо разобраться в симметрии.

Великий физик XX века, нобелевский лауреат Ричард Фейнман уподобил мир физики игре в шахматы. Шахматы – игра, полная симметрии. Поверни доску на пол-оборота – она будет выглядеть точно так же, как и в начале. Фигуры на одной стороне, за исключением цвета, – почти что идеальное зеркальное отражение фигур на другой. Даже правила игры обладают симметрией. Вот как говорит об этом Фейнман:

По правилам, слон движется по шахматной доске только по диагонали. Можно сделать вывод, что сколько бы ходов ни миновало, определенный слон всегда останется на белом поле… Так и будет, причем довольно долго – но вдруг мы обнаруживаем, что слон оказался на черном поле (на самом-то деле произошло вот что: за это время слона съели, но одна из пешек дошла до последнего ряда и стала слоном на черном поле). Так и с физикой. У нас есть закон, который долго-долго действует универсально, даже когда мы не можем отследить все подробности, а потом наступает момент, когда мы можем открыть новый закон .