Слово «Вселенная» ( Universe ) в английском языке имеет то же происхождение, что и «единство» ( unity ) или «единица» ( one ). Буквально оно означает единство, общность всех вещей, рассматриваемых как целое. Любопытно, что слово «целый» ( whole ) имеет один корень со словом «святой» ( holy ), что отражает глубоко таинственные и метафизические связи, с которыми имеет дело космология. Вплоть до XX в. познание Вселенной как целого в основном оставалось прерогативой религии. Научная космология как самостоятельная отрасль знания возникла сравнительно недавно.
Популярность космологии как среди ученых, так и среди широкой публики обусловлена ее своеобразной таинственностью. Многие вообще не видят серьезного различия между научной космологией, мистицизмом или сенсационными сторонами парапсихологии. Полагаю, что, несмотря на такую путаницу, всеобщий интерес к космологии сам по себе благо в нашем мире, где разобщенность и конфликты часто одерживают верх над единством.
Банальные рассуждения о Вселенной оттеснили на второй план, пожалуй, самый замечательный факт космологии — то обстоятельство, что понятие Вселенной вообще имеет смысл. Можно ли рассматривать все сущее как некое единое целое?
В этом вопросе заключен глубокий философский смысл. В основе науки лежат законы, подлежащие экспериментальной проверке. Научная теория дает последовательное описание тех или иных явлений природы, основанное на сумме не противоречащих друг другу принципов (выраженных преимущественно в математической форме). Цель теории заключается в создании модели определенной части физического мира; она сохраняет силу или, наоборот, отвергается в зависимости от своей пригодности. Чтобы определить, насколько модель близка к реальности, ученым приходится ставить эксперименты.
Если неоднократные эксперименты подтверждают точность модели, то доверие к теории растет, и она становится частью совершенного научного знания, оставаясь в этом качестве до тех пор, пока ей на смену не придет улучшенная, более точная или более глубокая теория.
Научный метод в значительной мере опирается на воспроизводимость экспериментальных проверок. Приведем простой пример. Галилей утверждал, что при падении все тела ускоряются одинаково, так что, начав падать вместе, два тела даже различной массы достигнут поверхности Земли одновременно. Это утверждение было встречено с большим скептицизмом, ибо столетиями люди верили учению Аристотеля о том, что массивные тела падают быстрее (видимо, такое представление больше соответствует интуиции). Однако, что бы ни говорила интуиция, утверждение Галилея сравнительно нетрудно проверить на опыте — достаточно просто проследить за падением нескольких одновременно отпущенных тел. После многократного повторения этого опыта люди пришли к выводу о справедливости утверждения Галилея об особенностях процесса падения материальных тел.
В приведенном примере проверка теории проста, поскольку мы располагаем безграничным количеством небольших тел, пригодных для проведения таких опытов. В космологии, однако, ситуация совершенно иная, ибо (по определению) существует лишь одна Вселенная. Здесь даже не возникает вопроса о «космическом законе», поскольку подобный закон никогда не удалось бы проверить в повторных экспериментах на наборе сходных систем. Отсюда возникает принципиальный вопрос, насколько вообще применимы научные выводы ко Вселенной как целому.
На практике космологи прибегают к экстраполяции. Законы физики, выведенные из наблюдений и экспериментов над отдельными частями Вселенной, применяются и ко Вселенной в целом. Например, общая теория относительности (лучшая из существующих на сегодня теорий гравитации), проверенная экспериментально в основном в пределах Солнечной системы, применяется тем не менее к расчету движения всей Вселенной. Замечательно, что, судя по всему, это дает правильные результаты! Применение законов, справедливых для какой-то отдельной части Вселенной, ко всему космосу, кажется, приводит к очень правдоподобному описанию наблюдаемой на опыте ситуации. Почему?
Для ответа на этот вопрос необходимо вернуться к исходной проблеме — насколько вообще имеет смысл говорить о «Вселенной в целом». Здесь есть аналогия с человеческим обществом. Политик может рассуждать следующим образом: «Я доволен снижением цен, мои друзья также удовлетворены этим; согласно опросам общественного мнения, другие люди также одобряют снижение цен. Следовательно, страна в целом будет удовлетворена снижением цен». Исходное предположение здесь состоит в том, что общество в целом обладает неким коллективным сознанием, которое отражает мнения его отдельных членов.
Это позволяет считать, что принципы, применимые к отдельной личности, справедливы и для общества в целом. Но подобная аргументация убедительна лишь в том случае, если общество состоит из сходно мыслящих личностей. Разумеется, в вопросе о снижении цен большинство людей придерживается одинакового мнения. Однако результат может быть совершенно иным, если коснуться, например, вопроса об отношении к религии.
Применяя законы физики ко Вселенной в целом, мы совершаем тот же логический скачок, как и в примере с понижением цен. Вселенная состоит из огромного (возможно, бесконечного) числа подобных друг другу или даже идентичных систем. В больших масштабах структуру Вселенной можно представить как некое собрание галактик, а ее микроструктуру — как собрание атомов. В недрах строения вещества Вселенная представляет собой набор квантовых полей. Часто считается само собой разумеющимся, что за пределами наблюдаемой Вселенной мы встретимся с объектами знакомых нам типов. Однако далеко не очевидно, что подобная поразительная универсальность должна существовать.
Универсальность физических систем служит отправкой точкой всей научной космологии. Изучение звездного неба показывает, что звезды очень похожи на наше Солнце, а другие галактики напоминают наш Млечный Путь как по размерам, так и по структуре. Более детальный анализ свидетельствует, что удаленные тела состоят из тех же атомов, какие встречаются на Земле. «Земной» атом совершенно неотличим от атома на самом краю наблюдаемой Вселенной. Физические процессы, происходящие в наиболее удаленных областях космоса, по-видимому, абсолютно идентичны процессам в ближнем космосе. При этом особенно важно, что сами взаимодействия оказываются универсальными. Например, силу электромагнитного взаимодействия в удаленных квазарах можно определять на основе тщательного изучения их оптических спектров. При этом не обнаруживается заметного различия с электромагнитными взаимодействиями, наблюдаемыми в лабораторных условиях.
По мере того как астрономы расширяли свои горизонты, охватывая все более обширные области Вселенной, они, как правило, обнаруживали почти одно и то же. Почему так должно быть, совсем не ясно. Несколько столетий назад люди считали, что Земля — центр мироздания, уникальный по своему местоположению и форме. Однако со времен Коперника весь опыт стал говорить об обратном: Земля — типичная планета в типичной галактике, расположенная в типичной области Вселенной, и вообще Вселенная состоит из огромного числа более или менее сходных объектов.
Ученые сформулировали эти представления в виде так называемого «космологического принципа», который, попросту говоря, утверждает, что ближний космос является типичным образцом Вселенной в целом. Это относится не только к атомам, звездам и галактикам, но и ко всей организации Вселенной, а также к распределению вещества и энергии. Вселенная чрезвычайно однородна относительно распределения галактик в пространстве как по удаленности, так и по направлению. Насколько можно судить, в космосе отсутствуют какие-либо выделенные области или направления. Более того, эта однородность сохраняется с течением времени по мере расширения Вселенной; скорость расширения одинакова для всех областей пространства и всех направлений. Действительно, довольно трудно представить более простое устройство Вселенной, совместимой с существованием живых существ. В предыдущих главах — в рамках так называемой инфляционной теории эволюции Вселенной — приводились весьма убедительные основания для подобной крупномасштабной согласованности.
Таким образом, наука рисует картину однородной, самосогласованной и простой в больших масштабах Вселенной. Если бы Вселенная расширялась с существенно разными скоростями в различных направлениях или имела области, сильно отличающиеся по плотности или распределению вещества, то вряд ли вообще существовала бы научная космология. (Строго говоря, наверное, не существовало бы и самих ученых.) Именно эти три особенности Вселенной — однородность, самосогласованность и простота — позволяют говорить о Вселенной как едином целом. До самого последнего времени природа этих особенностей Вселенной оставалась загадкой. Теперь мы знаем, что «инструкции» для создания самосогласованного, однородного космоса заключены в законах физики. Свойства Суперсилы определили развитие ранней Вселенной и организацию ее единой структуры, отличающейся простотой в больших масштабах.
Хотя мы все готовы признать присущее Вселенной всеобъемлющее единство формы, существует настоятельное желание обнаружить более глубокое космическое единство — то, которое самым тесным образом «сплетает» воедино ближайшую нам локальную часть мира со всей необъятной Вселенной. Идея связи большого и малого, глобального и локального обладает большой притягательной силой, поскольку заставляет нас чувствовать свое единство со всем мирозданием, испытывать таинственное стремление к общности, свойственное большинству религии. Многие люди, несомненно, чувствуют себя духовно связанными со всей совокупностью существующих в мире объектов, и в науке также существует традиция настойчивого поиска таких связей.
Один из первых научных аргументов в пользу существования глубокой связи между структурой Вселенной в больших масштабах и локальной физикой был провозглашен австрийским физиком и философом Эрнстом Махом (1838—1916), который навечно вошел в историю науки благодаря «числу Маха» (единица измерения скорости звука). Несмотря на некоторые ошибочные взгляды Маха (например, он не верил в реальность атомов), его труды, посвященные природе инерции и позднее обобщенные под названием «принцип Маха», оказались одной из наиболее прочных научных теорий. Без сомнения, идеи Маха оказали глубокое влияние на молодого Эйнштейна в его попытках сформулировать общую теорию относительности. В письме, написанном в июне 1913 г. вслед за публикацией в предшествующем году книги Маха «Наука механики», Эйнштейн признавал, что многим обязан Маху.
Мах родился в городе Турасе на территории нынешней Чехословакии. Он занимал профессорские кафедры как по математике, так и по физике в университете в Граце. Позднее Мах переехал в Прагу, а потом — в Вену, где получил должность профессора философии; здесь он присоединяется к философскому течению, получившему название позитивизма. Мах полагал, что действительность следует привязывать к наблюдениям, и именно эта точка зрения легла в основу его космологических представлений.
Мах глубоко интересовался природой движения, в частности, вопросом о различии между реальным и кажущимся движением. Наши предки верили, что небеса вращаются вокруг Земли, что Земля покоится в центре Вселенной, а Солнце, Луна и звезды движутся по криволинейным траекториям. Это казалось совершенно естественным, поскольку небесные тела совершали по небу видимое движение. В XVII в. подобные идеи были, однако, отвергнуты, так как выяснилось, что движение небесных тел всего лишь кажущееся. В действительности же вращается сама Земля.
Как можно было убедить скептика, что вращение звезд лишь кажущееся и что именно Земля вращается вокруг своей оси? Можно было бы, например, обратиться к механике Ньютона. Вследствие вращения Земли возникают «центробежные эффекты», которые вызывают утолщение земного шара в районе экватора. Тщательные измерения размеров Земли показывают, что ее диаметр по экватору на 43 км превышает расстояние между полюсами. Причина того, что вращение Земли вызывает ее утолщение на экваторе, кроется в существовании инерции.
Инерция — свойство вещества, хорошо всем нам знакомое. Тяжелые предметы обладают большой инерцией; это означает, что их трудно привести в движение, однако если это произошло, то их трудно остановить. Легкие предметы передвигать гораздо проще. Именно инерцией обусловлено движение Земли в пространстве. При отсутствии инерции Земля остановилась бы на своей орбите и упала на Солнце. Инерция выбрасывает нас из сиденья при резком торможении автомобиля, она заставляет нас почувствовать, как что-то обрывается в желудке при резком движении лифта. Именно инерция отбрасывает нас к внешнему ободу вращающейся карусели или прижимает к стенке вращающейся центрифуги. Инерция разрывает слишком быстро вращающийся маховик, именно эта тенденция сбрасывать с себя вещество (ее иногда называют центробежной силой) приводит к утолщению Земли на экваторе.
Как связать силу инерции с другими силами природы? Эта загадка восходит к самому Ньютону и данному им впервые систематическому описанию закона движения. Главным моментом работы Ньютона явилось признание относительности равномерного движения (происходящего с постоянной скоростью). Вообразите, что вы заключены в закрытую непрозрачную кабину, движущуюся в глубинах пространства. Не существует никакого способа, который помог бы вам выяснить, покоится кабина или движется равномерно. Такие условия вполне воспроизводятся на борту самолета, совершающего горизонтальный полет. Наше ощущение силы и движения на борту самолета неотличимы от аналогичных ощущений в помещении на Земле. Равномерное движение самолета никак не влияет на поведение тел внутри самолета, в частности на то, как пассажиры передвигаются, едят, дышат — все эти и другие действия выглядят, как обычно.
Почему же тогда мы утверждаем, что самолет движется? Разумеется, выглянув в иллюминатор, мы увидим, что земля под нами "уплывает из-под ног». Однако по существу движение в данном случае означает, что самолет движется относительно поверхности Земли, которая в свою очередь тоже не находится в покое. Земля движется по орбите вокруг Солнца (хотя мы не ощущаем этого движения), а Солнце движется в Галактике.
Здесь очень важно отметить, что пространство не имеет «верстовых столбов», поэтому наше движение в пространстве как таковое невозможно измерить. Каждая область пространства в точности подобна любой другой. Не существует способа увидеть или почувствовать проносящееся мимо пространство, как это удается плывущей в океане рыбе. Нет течения, которое помогло бы нам оценить свою скорость. Утверждение, что тело «покоится» в пространстве, вообще не имеет смысла. Это хорошо понимал еще Ньютон, заметив, что «...возможно, не существует тела, находящегося в состоянии истинного покоя, относительно которого можно было бы описывать положение и движения других тел».
Относительность равномерного прямолинейного движения заложена в первый закон Ньютона, утверждающий, в частности, что для поддержания такого движения не требуется силы или другого физического воздействия. Напротив, тело будет продолжать двигаться прямолинейно и равномерно до тех пор, пока что-либо не изменит характера его движения. В отсутствие внешних воздействий тело непрерывно движется вперед благодаря инерции.
На Земле чрезвычайно трудно полностью устранить влияние сил. Шайба, пущенная по поверхности льда, движется почти как свободное тело. Благодаря инерции шайба сохраняет состояние движения с почти постоянной, скоростью; при этом достаточно было придать шайбе начальный импульс, и нет необходимости в какой-либо «подталкивающей» силе. Однако, например, автомобиль испытывает столь сильное трение и сопротивление воздуха, что эти силы вскоре превзойдут его инерцию. В результате автомобиль останавливается, пройдя после выключения двигателя короткий отрезок пути.
Ускоренное неравномерное движение имеет совершенно иной характер, нежели равномерное прямолинейное. Если самолет делает вираж, пикирует или набирает скорость, пассажиры немедленно чувствуют это отклонение от равномерного движения по тому, как их «бросает» в сторону. Даже находясь внутри движущейся в пространстве непрозрачной кабины, можно сразу заметить ускоренный характер движения.
Каким же образом мы тотчас замечаем ускорение движения? Решающее значение имеет инерция. Тела, испытывающие ускорение, оказывают заметное сопротивление. Частным случаем ускоренного, неравномерного движения является вращение. Если непрозрачная кабина, внутри которой вы находитесь, начинает вращаться, вы чувствуете себя «прижатым к стене», поскольку тело стремится двигаться по прямой, а вращающаяся кабина вынуждает вас двигаться по кривой. Это, видимо, свидетельствует о том, что если равномерное движение имеет смысл только относительно других тел, то ускоренное движение абсолютно.
Некоторые ученые и философы не хотели согласиться с этим выводом. Один из них, почти современник Ньютона, ирландский философ епископ Джордж Беркли писал: «Я полагаю, что любое абсолютное движение, которое только можно вообразить, в основе своей имеет не что иное, как относительное движение. Беркли обосновывал это тем, что, поскольку пространство однородно, нельзя представить себе любого движения через пространство как таковое. Представление о движении тел может иметь смысл, если только его относить к другим материальным телам:
Достаточно заменить слова «абсолютное пространство» словами «относительное пространство», которое связано с небосклоном и закрепленными на нем звездами... Движение и покой, определенные в этом относительном пространстве, вполне можно использовать вместо соответствующих абсолютных понятий.
Здесь Беркли вводит решающее и очень важное представление о «неподвижных звездах». Сегодня мы знаем, что звезды в действительности не «закреплены», а сами движутся в галактике. Однако это движение едва заметно, поскольку звезды чрезвычайно удалены от нас. Важное предположение Беркли состоит в том, что наиболее далёкое вещество во Вселенной может в определенном смысле служить стандартной системой отсчета, относительно которой можно описывать все движения.
За этими дискуссиями о движении стоит вопрос о природе пространства и о различии между понятиями пространства и «ничто». Аристотель, провозгласив «природа не терпит пустоты», утверждал, что пустота есть «ничто» и потому не может существовать. Видимое пустое пространство между телами можно принять, лишь предположив, что оно непрерывно заполнено веществом — эфиром или еще чем-либо.
Однако и противоположное представление о самостоятельном существовании пустоты, или вакуума, — также имело своих сторонников. К ним относился и Ньютон, который рассматривал то, что он назвал «абсолютным пространством... не связанным с чем-либо внешним». Эту концепцию Ньютона высмеял его оппонент Готтфрид Лейбниц, провозгласивший, что «не существует пространства без материи».
Современная физика разрешает это древнее противоречие, заменяя пространство квантовым вакуумом, наделяя некой структурой то, что на первый взгляд кажется более чем пустотой. В то же время квантовый вакуум, населенный «резвящимися» виртуальными частицами, разумеется, далек от «непрерывной жидкости» Аристотеля.
Ньютон полагал, что может научно обосновать существование абсолютного пространства на основе явлений, обусловленных инерцией. Утолщение на экваторе вращающейся Земли показывает, что вращается именно Земля, а не звезды. Поэтому Ньютон утверждал, что вращение Земли не только происходит относительно звезд, но и имеет абсолютный характер. Земля действительно вращается в абсолютном пространстве.
Именно это утверждение оспаривал Беркли; его концепция сводилась к тому, что если бы во Вселенной вдруг исчезли все тела, кроме одного, то представление о движении — равномерном или любом другом—вообще потеряло бы смысл. Беркли утверждал, что если бы кроме земного шара не существовало других тел, то его движение вообще нельзя было бы вообразить. Мы не смогли бы тогда определить, вращается земной шар или нет. Беркли развивал эту идею следующим образом. Пусть существует два земных шара и нет никаких других тел. Тогда может иметь смысл относительное движение этих шаров по направлению друг к другу или друг от друга, но и в этом случае, согласно Беркли, круговое движение этих двух шаров относительно их общего центра масс нельзя вообразить. С другой стороны, считал Беркли, если предположить, что существует небосвод с неподвижными звездами, то можно представить себе вращательное движение двух шаров на основе их положения относительно различных частей небосвода.
Несмотря на успехи механики Ньютона, эти рассуждения Беркли сохранили силу и два века спустя получили отклик в работах Маха, который не считал необходимым проводить принципиальное различие между равномерным и неравномерным относительными движениями. Мах полагал, что ускоренные и инерциальные (равномерные) движения происходят одинаково. Однако каким образом Мах собирался примирить свое убеждение в том, что даже ускоренные движения (например, вращение) чисто относительны, с существованием сил инерции, проявляющимся, например, в центробежных эффектах и приводящим к экваториальному утолщению Земли? В конце концов именно Ньютон бросил вызов тем, кто сомневается в существовании абсолютного движения: «Явления, которые отличают абсолютное движение от относительного, обусловлены центробежными силами... В чисто круговом движении, имеющем относительный характер, таких сил не существует».
Ход ответных рассуждений Маха прям до дерзости. Если вращение существует лишь относительно неподвижных звезд, то, утверждал Мах, испытываемые вращающимся телом центробежные силы должны создаваться звездами. Гипотеза Маха по существу означает не более и не менее как утверждение, что природа инерции коренится в глубинах Вселенной. Если принять подобное объяснение происхождения инерции, то можно отказаться от ньютоновского абсолютного пространства и рассматривать все движения как относительные. Именно эта линия рассуждений и составляет содержание так называемого принципа Маха, оказавшего удивительно сильное влияние на несколько поколений физиков. Этот принцип вызвал ряд резких критических оценок, в том числе со стороны В. И. Ленина ( «Материализм и эмпириокритицизм», Полн. собр. сочинений, изд. IV, т. 18. )
Можно ли воспользоваться принципом Маха? Прежде всего надо объяснить природу инерционного влияния удаленных звезд на тело, находящееся на Земле или где-то во Вселенной. Ключ к решению этой проблемы лежит в полном сходстве центробежной и гравитационной сил, В одном из проектов будущая космическая станция представляет собой нечто вроде большого колеса, которое должно вращаться вокруг своей оси с такой скоростью, чтобы обеспечить ускорение 1g на периферии «колеса». В этом состоит идея создания искусственной силы тяжести. Близкое сходство центробежных и гравитационных сил хорошо понимали Галилей и Эйнштейн. Действительно, в основе общей теории относительности лежит так называемый принцип эквивалентности, согласно которому обе силы локально идентичны. Поэтому вполне естественно пытаться объяснить центробежные и другие инерционные силы на основе гравитационного поля Вселенной.
Каким образом гравитация звезд могла бы создавать инерцию тел? Одна из возможных идей состоит в том, что вращающееся тело оказывает на звезды некоторое гравитационное влияние. Звезды, испытывая лишь слабое воздействие, создают собственный гравитационный эффект, действующий на вращающееся тело. Этот эффект порождает то, что мы называем центробежной силой, однако по существу это гравитационный эффект космического происхождения. Разумеется, из-за огромных расстояний вклад каждой звезды в центробежную силу чрезвычайно мал, но число звезд столь велико, что суммарный эффект может оказаться весьма значительным. Это предположение выглядит фантастическим. Всякий раз, когда у вас что-то «обрывается в желудке», знайте, что причиной этому являются удаленные галактики, отстоящие на миллионы световых лет.
Однако с этой простой картиной связана некая сложность, состоящая в том, что, согласно теории относительности, гравитационное возмущение не может распространяться быстрее света. Но даже с учетом этого понадобилось бы много миллионов лет, чтобы гравитационное «эхо» вращающихся тел вернулось обратно. Мы же знаем, что центробежные эффекты возникают мгновенно, как только тело начинает вращаться.
Эйнштейн полагал, что нашел способ преодолеть проблему временной задержки, включив принцип Маха в свои космологические исследования. Несколько странно, что схема Эйнштейна оказалась действенной только в случае искривленной Вселенной, причем пространственно замкнутой (в виде гиперсферы). Бесконечное, неограниченное пространство в этом случае не подходит. Это вызвало беспорядочные, продолжающиеся по сей день дискуссии о том, в какой степени общая теория относительности Эйнштейна включает (или не включает) принцип Маха.
В 1949 г. математик и логик Курт Гёдель нашел решение уравнений Эйнштейна для гравитационного поля, которое фактически описывает вращающуюся Вселенную. Модель Гёделя не претендует непременно на описание реальной Вселенной, тем не менее такая логическая возможность оказывается в рамках теории Эйнштейна. Согласно принципу Маха, вращающаяся Вселенная немыслима, ибо относительно чего вращается вся Вселенная?
Вместе с тем некоторые эффекты, предсказанные общей теорией относительности, явно отвечают принципу Маха. Об одном из них Эйнштейн упоминал в письме к Маху. Предположим, мы согласны с тем, что действующие на тело силы инерции обусловлены гравитационным воздействием всего остального вещества Вселенной. Основной вклад в эти силы дадут, очевидно, наиболее удаленные области, поскольку именно там больше всего вещества. Тем не менее, небольшой вклад должны вносить и близко расположенные тела. Эйнштейн предложил Маху рассмотреть тело, помещенное внутрь массивной материальной оболочки, которая вращается относительно неподвижных звезд. Если идеи Маха верны, то система отсчета, относительно которой следует описывать движение тела внутри оболочки, получается в результате усреднения по всему остальному веществу Вселенной; при таком усреднении, очевидно, нельзя исключать и сферическую оболочку. Ее вклад во всеобщую космическую систему отсчета будет, конечно, очень мал, однако все же отличен от нуля. Эту величину можно рассчитать теоретически, и вычисление показывает, что, как и предсказывал Мах, вращение оболочки действительно создает крошечную силу инерции. Эта сила действует на находящееся внутри оболочки тело, стремясь заставить его также участвовать во вращении.
Примечательно, что подобные эффекты можно действительно обнаружить. Рассмотрим, например, опыты с гироскопом на околоземной орбите. На движение гироскопа влияет искривление пространства, которое создается Землей и испытывает возмущение, обусловленное вращением. Таким образом, гироскоп будет прецессировать, и хотя эффект очень мал (потребовались бы миллионы лет, чтобы гироскоп совершил полный оборот), можно ожидать, что с помощью современных методов его удастся обнаружить. Например, поместив гироскоп в кожух для устранения возмущений негравитационного типа (в частности, воздействия солнечного ветра). Эксперимент такого типа планировался в течение нескольких лет профессором Уильямом Фейрбэнком в Станфордском университете (мы упоминали об этом ученом в гл.8 в связи с экспериментами по поиску свободных кварков).
У более массивных тел эффект, обусловленный вращением искривленного пространства, может быть более выраженным.
Предельный случай представляет вращение черной дыры, при котором наиболее близкие объекты могут оказаться столь вовлеченными в этот процесс, что никакая сила во Вселенной не в состоянии помешать этому. Подобный (предполагаемый) эффект в популярной литературе иногда называют пространственным вихрем вокруг черной дыры.
Вполне возможно, что принцип Маха не удастся проверить экспериментально. Как же можно узнать, что вращение Земли приводит к ее уширению в области экватора в совершенно пустой Вселенной, если у нас нет способа удалить из Вселенной остальные тела? Однако можно представить себе эксперимент, который мог бы дискредитировать этот принцип. Если бы на основании очень точных измерений удалось установить, что Вселенная в целом пребывает в абсолютном вращении, то принцип Маха был бы опровергнут.
Абсолютное космическое вращение означало бы существование преимущественного направления в пространстве, и можно ожидать, что это направление должно проявиться в распределении во Вселенной вещества и энергии. Известно, что космическое тепловое излучение однородно и изотропно по всем направлениям с точностью не менее 10-4; отсюда можно получить строгие ограничения возможности космического вращения. Действительно, можно показать, что за время своей истории Вселенная могла повернуться не более чем на несколько градусов. Таким образом, с большой степенью точности следует утверждать, что движение Вселенной по крайней мере не противоречит принципу Маха.
Подобно многим ученым-профессионалам, увлекающимся научной фантастикой, пару лет назад я взялся за чтение книги Грегори Бенфорда «Бегство времени». Каково же было мое удивление, когда почти в самом начале мне встретился персонаж по имени Пол Денис — физик, глубоко интересующийся проблемой времени и авторитетно утверждающий, что должна существовать возможность посылать сигналы в прошлое. Следуя его совету, герой книги, чтобы спасти мир от катастрофы, предпринял попытки связаться с ученым предшествующего поколения.
Неожиданное появление меня на страницах книги было вызвано, очевидно, моим давним и устойчивым интересом к проблеме происхождения времени. Впервые я увлекся идеей посылки сигнала в прошлое после посещения еще в студенческие годы лекции Фреда Хойла, которую он читал в Лондонском королевском обществе. Хойл указал, что знаменитые уравнения Максвелла для электромагнитного поля, описывающие распространение электромагнитных волн, допускают возможность распространения этих волн вспять во времени.
Этот поразительный вывод можно пояснить с помощью аналогии с обычными волнами на воде. Если бросить камень в спокойный пруд, то во все стороны от точки возмущения (падения камня) побегут волны, которые исчезнут на краях пруда. Подобную картину расходящихся волн нетрудно получить на практике. Вместе с тем мы никогда не встречаем упорядоченной картины, в которой волны, возникнув у краев пруда, сходились бы в одной точке. Однако физические процессы, управляющие волновым движением, полностью обратимы. Любую часть волны можно было бы заставить бежать в противоположном направлении. Несмотря на это, в природе спонтанно возникают лишь расходящиеся волны. Правда, сходящиеся волны можно создать искусственно — например, бросая кольцо горизонтально на поверхность пруда, но достичь такого результата значительно труднее. Почему?
Односторонняя направленность волнового возмущения характерна для всех видов волнового движения и как бы задает направление хода времени во Вселенной («стрела времени»), т.е. строгое различие между прошлым и будущим. Если снять распространение волн в пруду на кинопленку, а затем прокрутить фильм задом наперед, «обман» немедленно обнаружится. В случае электромагнитных волн, например радиоволн, картина упорядоченных волн, сходящихся в одну точку, выглядит вообще абсурдной. Поскольку радиоволны могут распространяться до границ Вселенной, единственный способ создать сходящиеся волны состоит в организации грандиозного космического «заговора», который заставил бы волны, приходящие со всех направлений бесконечного пространства, распространяться строго согласованно.
Вследствие связи характера волнового движения и направления хода времени расходящиеся волны можно рассматривать как движение в будущее обычным образом, а сходящиеся — как результат обращения времени, т.е. как движение в прошлое. Первый тип волн называется запаздывающим, поскольку волны возникают после того, как они испущены, а второй — опережающим, поскольку волны приходят раньше, чем были испущены. Еще со времен Максвелла считалось, что опережающие электромагнитные волны возможны, так как теория формально допускает их существование, однако физически они столь же нелепы, как, например, путешествие во времени, и потому их следует отбрасывать.
Большинство ученых с удовольствием отбрасывали опережающие волны как не имеющие отношения к действительности, не задумываясь над тем, почему Вселенная устроена таким образом, который повсеместно исключает этот тип волн. Иначе поступили Джон Уилер и Ричард Фейнман. В конце второй мировой войны они опубликовали любопытную статью, в которой пытались показать, почему запаздывающие электромагнитные волны являются нормой, а также исследовать вопрос о возможном существовании опережающих волн (волн из будущего). Позднее Уилер занялся ядерной физикой и вместе с Нильсом Бором и Энрико Ферми исследовал процесс деления урана; Фейнман в это время был еще студентом, но вскоре преуспел в разработке квантовой электродинамики, за что был удостоен Нобелевской премии.
Уилер и Фейнман решили исследовать, что происходило бы в мире, где запаздывающие и опережающие волны существуют на равных основаниях. В подобной гипотетической вселенной радиопередатчик посылал бы сигналы как в прошлое, так и в будущее. Можно было предполагать, что подобные обстоятельства обязательно приведут к бессмыслице, однако Уилер и Фейнман путем весьма интересного рассуждения показали, что это не обязательно так.
Проследим за судьбой доставляющих нам столько хлопот опережающих волн, которые из передатчика распространяются в пространстве вспять во времени. В конце концов эти волны где-то попадут в вещество, представляющее собой электрически заряженные частицы (например, в разреженный газ межгалактического пространства). Волны приведут частицы в движение, в результате будут испускаться вторичные волны той же самой частоты, причем одна половина волн будет запаздывающей, а другая — опережающей. Запаздывающие вторичные волны будут распространяться во времени в будущее, создавая в передатчике в момент излучения первичных волн небольшое эхо. Таким образом, мы получим разветвленную систему возмущений и сигналов - эхо, блуждающих во Вселенной в обоих направлениях во времени.
Эхо отдельной заряженной частицы будет непостижимо слабым из-за огромного расстояния, отделяющего частицу от передатчика. Однако если во Вселенной столько частиц, что она фактически непрозрачна для электромагнитного излучения, то суммарная интенсивность всех эхо была бы в точности равна интенсивности первичного сигнала. При более детальном анализе обнаруживается нечто еще более необычное. Если эхо перекрывается с первичной опережающей волной во всем пространстве, то оно оказывается точно в противофазе с ней. Это приводит к полному гашению опережающей волны в результате интерференции. Таким образом все сигналы, посылаемые в прошлое, полностью «гасятся» своим собственным эхом! Уилер и Фейнман отсюда заключили, что в непрозрачной Вселенной существуют только запаздывающие электромагнитные волны, даже если каждая отдельная заряженная частица будет излучать одинаково как запаздывающие, так и опережающие волны.
Этот поразительный результат теории Уилера-Фейнмапа обусловлен тем, что в ней электромагнитное излучение отдельной частицы и всей Вселенной в целом неотделимы друг от друга. Волны, возникшие в одном месте, невозможно отделить от их эха, в том числе из самых отдаленных областей космоса. Более того, благодаря способности опережающих сигналов распространяться в прошлое для возвращения эха нет нужды в миллиардах лет (напомним, что именно с этим была связана проблема создания силы инерции гравитационным «эхом»). Таким образом, каждая скромная радиопередача становится поистине космическим событием.
Теория Уилера-Фейнмана следует Маху в том смысле, что стремится установить связь между локальным и глобальным в системе взаимных воздействий, предполагая при этом, что понять свойства отдельной физической системы можно лишь путем надлежащего учета всего остального мира. Хотя эта теория остается умозрительной, существует общее мнение, что отсутствие в природе опережающих волн требует в конечном счете космологического объяснения; «стрела времени», по-видимому, также имеет космологическое происхождение. Таким образом, тот факт, что мы осознаем строгое разграничение прошлого и будущего в свойствах окружающего мира, служит примером связи между большим и малым, между целым и его частями.
Разумеется, возможны и другие взаимосвязи такого же типа; к их числу относится пример магнитного монополя. Как указывалось в гл. 9, Дирак, разрабатывая первоначальную идею магнитного монополя, обнаружил, что значение магнитного заряда каждого монополя связано законами квантовой электродинамики с величиной фундаментального электрического заряда электрона. Одно из неявных предположений теории Дирака состоит в следующем: если даже во всей Вселенной существует только один монополь, то это требует, чтобы электрический заряд электрона имел то значение, которое он в действительности имеет. Таким образом, величина заряда электрона может зависеть от существования магнитного монополя в отдаленном уголке Вселенной.
В последние годы много внимания уделялось роли квантовой физики в установлении связи между частью и целым. Весьма красноречиво говорит об этом в своей книге «Всеобщность и скрытый порядок» Дэвид Бом: «Квантовой теории присущ фундаментальный новый тип нелокальной взаимосвязи, который можно определить как непричинную связь удаленных друг от друга элементов».
Бом проводит аналогию между упорядоченностью квантовой Вселенной и упорядоченностью голограммы. Голограмма — это способ кодирования информации об изображении. Закодированное изображение можно восстановить с помощью лазерного луча в виде трехмерного объекта. Вся информация об изображении хранится в виде интерференционной картины на фотографической пластинке, но в такой форме она не воспринимается глазом человека. Голографическое изображение получается в результате интерференции двух лазерных пучков и, как правило, оно очень сложно. Расшифровать его можно тоже лишь с помощью лазера. На обычном фотографическом слайде каждой детали проецируемого изображения соответствует определенный участок, т.е. они взаимно однозначно соответствуют друг другу. Голограмма существенно отличается в этом отношении от слайда. Каждый элемент голографируемого объекта закодирован по всей фотопластинке. При освещении лишь части ее изображение в целом сохраняется, однако его качество несколько ухудшается. Это связано с тем, что информация об изображении в целом содержится даже на части фотопластинки. В этом принципиальное отличие голограммы от обычного слайда, который при неполном освещении воспроизводит лишь часть объекта.
Другие авторы — в частности, Фритьоф Капра в своей книге «Дао в физике» («Дао» означает свойственную восточной философии таинственность и магию, проявления которой автор усматривает в современной физике) и Гэри Зукав в книге «Дансинг By Ли Мастере» — подчеркивали наличие близких параллелей между квантовой физикой и восточным мистицизмом, в особенности в таких аспектах, как единство всего существующего и тонкие взаимосвязи между целым и его частями.
Мировоззрение целостности (холизм), подразумеваемое квантовой физикой, в большой степени является следствием нелокальности квантовых состояний (см. гл. 3). Напомним, что в опыте Эйнштейна, Подольского и Розена две частицы, находясь на большом расстоянии друг от друга, остаются тесно связанными между собой. В подобной ситуации неправомерно рассматривать каждую частицу как существующую независимо даже при вполне определенных условиях в отсутствие другой частицы.
В более общем смысле можно считать, что квантовая частица обладает вполне определенным признаком, например положением или состоянием движения, только при определенной экспериментальной ситуации, когда прибор специально предназначен для измерения соответствующего признака или свойства. Так, говорить о том, что частица находится в данном месте, имеет смысл только в том случае, если она является частью сложной системы, предназначенной для измерения ее положения. В отсутствие подобной измерительной установки все разговоры о положении частицы бессмысленны. Следовательно, мы можем определить положение квантовой частицы только в рамках макроскопической измерительной системы, которая сама содержит бесчисленное количество квантовых частиц. Положение частицы становится, таким образом, в действительности коллективным, или целостным (холическим), понятием .
Между реальностью микромира и обычным макромиром существует весьма тонкая связь. В конечном счете мы не можем отделить квантовую реальность от структуры всей Вселенной и состояние отдельной частицы имеет смысл, только когда она рассматривается в рамках единого целого. Микро- и макромиры переплетены друг с другом и их нельзя разделить.
Мысль о том, что во Вселенной существует всеобъемлющий и непричинный порядок, возникла отнюдь не с появлением современной физики. Например, астрология представляет собой попытку распознать космический «регламент», согласно которому земные дела людей находят отражение в расположении небесных тел. Психоаналитик Карл Юнг и физик Вольфганг Паули предложили принцип непричинной связи, который они назвали синхронизмом. Они обобщили факты, свидетельствующие о наличии некоего всеобщего порядка, согласно которому события внешне не зависимые оказываются, тем не менее, взаимосвязанными разумным образом. К событиям подобного рода относятся, например, официально зарегистрированные случаи необычайных совпадений, выходящих далеко за пределы случайности. Все эти идеи в популярной форме изложены Артуром Кестлером в книге «Причины совпадений»;
Эти идеи несут отпечаток некой парадоксальности, напоминая о философии дзен-буддизма и «странных петлях», о которых говорится в книге Дугласа Хофштадтера «Гёдель, Эшер, Бах». Целое содержит части, которые в свою очередь составляют целое. Прежде чем мы сможем приписать конкретную реальность атомам, составляющим Вселенную, нам необходима сама Вселенная в целом! Что же «первично – атомы или Вселенная? Ни то, ни другое. Большое и малое, глобальное и локальное, космос и атом — все это взаимосвязанные и неразделимые стороны объективной реальности. Одно не существует без другого. Старая идея редукционистов о том, что Вселенная — это просто сумма своих частей, полностью отвергнута современной физикой. Вселенная действительно обладает единством, причем гораздо более глубоким, чем простое выражение однородности Вселенной. Это единство подразумевает, что, не располагая всем, нельзя вообще ничего иметь.