Физик-теоретик Карло Ровелли занимается направлением исследований, которое называется петлевой квантовой гравитацией. Это направление пытается объединить квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна. «Если сложить то, что мы узнали о физическом мире в XX столетии, станет ясно, что все подсказки указывают на нечто в корне отличное от нашего интуитивного понимания материи, пространства и времени. Петлевая квантовая гравитация — попытка разгадать эти подсказки и заглянуть еще чуть дальше», — пишет Ровелли.
Звучит загадочно и поэтично, не так ли?
Примерно так воспринимается и вся книга Карло Ровелли, написанная на основе его публицистических заметок в итальянской воскресной газете Il Sole 24 Ore. Автор адресует её людям, совершенно ничего не знающим о современной науке, чтобы показать им, как выглядит мир с точки зрения великих физиков ХХ века и как эти физики сомневались, спорили и приходили к своим открытиям.
Книга впервые вышла на итальянском языке и стала бестселлером. Затем была переведена на английский и завоевала сердца «ничего не знающих о современной науке» людей в более чем двадцати странах мира. И вот издательство Corpus предлагает «Семь этюдов по физике» русскоязычным читателям.
Книга состоит из шести этюдов: о двух столпах физики ХХ века — общей теории относительности и квантовой механике; об архитектуре Вселенной; об элементарных частицах; о квантовой гравитации; о вероятности и теплоте чёрных дыр. Речь в них идёт о том, что знакомо нам на уровне обывательского опыта: о пространстве, времени, теплоте.
Но попробуйте забыть своё интуитивное представление об этих явлениях и посмотреть на них глазами физиков после открытий Эйнштейна и Бора — именно к такому перевороту и пытается вас привести Ровелли. Последний этюд — о взгляде на человечество с точки зрения учёного, размышляющего о непостижимости Вселенной.
С одной стороны, Ровелли совершенно не утруждает себя объяснением физических формул, пытаясь передать суть открытий с помощью образов и метафор. Поэтому особо вдумчивым читателям лучше быть готовым к работе с дополнительными источниками информации, чтобы углубиться в возникающие вопросы.
С другой стороны, Ровелли честно даёт понять, что тоненькая научно-популярная книжка не откроет перед вами вот так сразу дверь к пониманию физики. Предлагая оценить красоту уравнения Эйнштейна, он пишет:
Вам, конечно, придётся изучить и усвоить риманову геометрию, чтобы овладеть техникой для прочтения и использования этого уравнения. Это требует некоторой решимости и усердия. Но меньших, чем необходимо для того, чтобы оценить изысканную красоту позднего струнного квартета Бетховена. Награда в обоих случаях — истинная красота и новый взгляд на мир.
Впечатления от прочтения «Семи этюдов по физике» будут сильно зависеть от ваших личных познаний в физике и любви или нелюбви к пышущему сравнениями слогу.
Автор одной из рецензий на эту книгу в The Guardian пишет, что сомневается, сможет ли подход Ровелли подвигнуть кого-то из читателей посмотреть на проблемы более глубоко. Ведь захватить воображение — это одно дело, а вот углубиться в непростые для неподготовленного человека теории, давая при этом необходимый глоток свежего воздуха — совсем другое. И второе доступно скорее другому знаменитому популяризатору физики, Ричарду Фейнману, а не Карло Ровелли.
Но в чём Ровелли точно нельзя отказать — так это в хорошо переданном ощущении, что в наших представлениях о мире никогда нельзя будет поставить точку, что они будут постоянно меняться, меняя и само сознание человека.
Когда Эйнштейн умер, его главный соперник Бор нашел для него слова трогательного восхищения. Когда через несколько лет умер и Бор, кто-то сделал фотографию доски в его кабинете. На ней рисунок. Ящик со светом из мысленного эксперимента Эйнштейна. До самого конца — стремление спорить с самим собой, чтобы понять больше. И до последнего — сомнение.
Перед вами небольшой отрывок из книги, любезно предоставленный издательством Corpus.
Песчинки пространства
Несмотря на определенные неясности, неточности и всё ещё не разрешенные вопросы, физика, которую я обрисовал, обеспечивает лучшее описание мира, чем мы когда-либо имели в прошлом. Так что мы должны были бы чувствовать себя вполне удовлетворенными. Но увы.
В самой основе нашего понимания физического мира есть парадокс. XX век подарил нам две жемчужины, о которых я говорил: общую теорию относительности и квантовую механику. Из первой развились космология, астрофизика, исследование гравитационных волн, черных дыр и много чего ещё. Вторая легла в основу атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц, физики конденсированного состояния вещества и многого-многого другого.
Две теории, такие щедрые на приложения, краеугольный камень современных технологий, изменивших нашу жизнь. И всё же обе теории не могут быть верны одновременно, по крайней мере в своих современных формулировках, поскольку они противоречат друг другу.
Студента университета, посещающего лекции по общей теории относительности по утрам, а по квантовой механике по вечерам и заключившего, что его профессора или дураки, или пренебрегали общением друг с другом по меньшей мере сто лет, следует простить. Утром мир — искривленное пространство, где все непрерывно, а вечером — плоское пространство, где скачут кванты энергии.
Парадокс в том, что обе теории работают удивительно хорошо. <…>
Группа физиков-теоретиков, рассеянная по пяти континентам, старательно пытается решить эту проблему. Область их исследований называется квантовой гравитацией. Их цель — найти теорию, то есть набор уравнений (но прежде всего — внутренне непротиворечивое видение мира), с помощью которой удалось бы разрешить сегодняшнюю шизофрению.
Физика не впервые сталкивается с двумя в высшей степени успешными, но очевидно противоречивыми теориями. Усилия по объединению, прикладывавшиеся в прошлом, были вознаграждены колоссальным шагом вперед в нашем понимании мира. Ньютон открыл всемирное тяготение, связав параболы Галилея с эллипсами Кеплера. Максвелл написал уравнения электромагнетизма, совместив электрическую и магнитную теории. Эйнштейн сформулировал теорию относительности, стремясь разрешить очевидное противоречие между электромагнетизмом и механикой. На самом деле физик счастлив, когда находит подобное противоречие между успешными теориями: это уникальный шанс.
Здесь, за границей знания, на переднем крае, наука становится ещё красивее — раскаленная в горниле зарождающихся идей, прозрений, дерзаний. Путей выбранных и позже оставленных, увлечённости. В стремлении представить то, чего прежде ещё никто не мог вообразить.
Двадцать лет назад туман был плотным. Сегодня сквозь него проступили очертания, внушившие воодушевление и оптимизм. Наметившихся направлений для поиска несколько, так что нельзя сказать, что проблема решена. Разнообразие рождает споры, но полемика приносит пользу: пока туман окончательно не рассеется, хорошо иметь критические замечания и противоположные точки зрения. Одна из главных попыток разрешить проблему — направление исследований под названием «петлевая квантовая гравитация», развиваемое большой командой ученых, которые работают во многих странах.
Петлевая квантовая гравитация — это дерзновение объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. Однако это попытка осторожная, поскольку используются только гипотезы, уже содержащиеся в этих теориях, — переписанные соответственным образом, чтобы сделать их совместимыми. Но её следствия радикальны: дальнейшее глубокое преобразование того, как мы смотрим на структуру реальности.
Идея проста. С одной стороны, общая теория относительности научила нас тому, что пространство — не статичная коробка, а скорее нечто динамичное: своего рода необъятная гибкая раковина улитки, в которую мы заключены и которая способна сжиматься и изгибаться. С другой стороны, квантовая механика научила нас тому, что каждое поле состоит из квантов и имеет мелкозернистую структуру.
Отсюда немедленно следует, что физическое пространство также сделано из квантов. И действительно, важнейший результат петлевой квантовой гравитации в том, что пространство не непрерывно, не бесконечно делимо, а составлено из песчинок — «атомов пространства». Они чрезвычайно мелки: в миллиард миллиардов раз меньше самого маленького атомного ядра. Теория описывает эти «атомы пространства» в математической форме и предлагает определяющие их эволюцию уравнения. Песчинки пространства назвали «петлями», или кольцами, поскольку они соединяются друг с другом, формируя сеть связей, из которых соткана текстура пространства, — словно кольца искусно сплетенной необозримой кольчуги.
Где эти кванты пространства? Нигде. Они не где-то в пространстве, поскольку они сами и есть пространство. Пространство создано сцеплением этих отдельных квантов гравитации.
Однако самое поразительное следствие теории — второе. Подобно тому как исчезает понятие непрерывного пространства, содержащего в себе объекты, пропадает также и понятие базового и первичного «времени», которое течет независимо от объектов. Уравнения, описывающие песчинки пространства и материи, больше не содержат временной переменной.
Это не означает, что все стационарно и неизменно. Напротив, это значит, что изменение вездесуще — но элементарные процессы не могут упорядочиваться в привычную последовательность «моментов». На мельчайшем уровне песчинок пространства танец природы не происходит в ритме взмахов палочки единственного дирижера оркестра, в едином темпе: каждый процесс танцует независимо от своих соседей, в своем собственном ритме.
Ход времени — «встроенное» свойство мира, оно зарождается в нем самом во взаимоотношениях между квантовыми событиями, составляющими мир, которые сами и есть источник времени.
Стало быть, мир, описываемый этой теорией, еще дальше отодвигается от привычного нам. Нет больше пространства, «заключающего в себе» мир, и нет больше времени, «в котором» происходят события. Есть лишь элементарные процессы, в которых кванты пространства и материи беспрестанно взаимодействуют друг с другом. Иллюзия пространства и времени, сохраняющаяся вокруг нас, — размытое восприятие этого мельтешения элементарных процессов, точно так же, как спокойное, чистое альпийское озеро на самом деле создается вихрем мириадов крохотных молекул воды.
