Пространство, время и движение. Величайшие идеи Вселенной - Кэрролл Шон
В книге, которую вы держите в руках — «Пространство, время и движение», — я расскажу о классических законах, открытых еще Ньютоном и не терявших актуальности до самой квантовой революции двадцатого века. Не столько о блоках и наклонных плоскостях, как бы ни были важны эти термины, сколько о сложных вопросах природы пространства, изменений и времени. Не побоявшись разбавить формулы рядом идей из области философии, мы перейдем к теории относительности: предложенным Эйнштейном концепциям искривленного пространства-времени, а также последствиям искривления, например черным дырам. Таким образом, мы начнем с идей многовековой давности, а закончим современным подходом к физике.
В книге «Кванты и поля» мы обсудим несколько вкусных идей из квантовой физики, среди которых — кот Шредингера и запутанность. Однако по большей части мы будем говорить о квантовой теории поля и физике частиц, которые на данный момент лучше всего объясняют фундаментальные законы природы. В последней книге — «Сложность и синергичность» — мы признаем, что мир состоит не только из двух или трех частей, а также увидим, сколько всего интересного происходит, когда движущихся тел много.
В итоге мы рассмотрим множество концепций, практически все из которых относятся к физике и родственным ей наукам. Это не означает, что в других научных областях (в гуманитарных дисциплинах и даже в искусстве) нет столь же важных и масштабных идей. Нам просто нужно где-то провести черту.
Еще одна черта, которую мы проведем, пройдет по границе между «в достаточной мере проверенными идеями» и «многообещающими гипотезами». На первых строятся учебники физики, вторые — к радости читателей — в большом количестве представлены в популярной литературе. Предположения и гипотезы очень важны, ведь большая часть работы исследователя — поиск новых знаний на грани уже изученного, расширение этих границ. Но все-таки наша цель — рассказ о концепциях, которые будут с высокой вероятностью актуальны и через столетие.
* * *Я с удовольствием выражаю признательность всем, кто помогал мне на этом пути. Скотт Ааронсон (Scott Aaronson), Джастин Кларк-Дуэйн (Justin Clarke-Doane) и Мэтт Штресслер (Matt Strassler) прислали мне ценные отзывы, благодаря которым в тексте стало меньше шероховатостей. Джейсон Торчински (Jason Torchinsky) нарисовал прекрасные иллюстрации. Мой редактор, Стивен Морроу (Stephen Morrow), как всегда, давал мне советы, а мой агент, Катинка Мэтсон (Katinka Matson), помогла придать непростому проекту четкую форму. Важную роль в написании книги сыграли Элис Далримпл (Alice Dalrymple), Тиффани Эстрейчер (Tiffany Estreicher), Дора Мак (Dora Mak), Накиша Уорнер (Nakeesha Warner) и Мелани Муто (Malanie Muto). И конечно, я не могу не сказать большое спасибо Дженнифер Оуэллетт (Jennifer Ouellette) за ценные советы, моральную поддержку и многое другое.
Во время пандемии COVID-19 я смотрел онлайн-уроки драматургии, которые проводила моя подруга Лорен Гундерсон (Lauren Gunderson). Вдохновленный полученными знаниями, я снял серию видеороликов, которые и легли в основу книг этой серии. Эти видеоролики, а также другие дополнительные материалы можно найти, перейдя по ссылке:
https://preposterousuniverse.com/biggestideas/
Один. Сохранение
Оглянитесь вокруг. Как и у всех людей, у вас есть тело, а сами вы где-то находитесь, и, скорее всего, — в окружении самых разных предметов. Стол и стулья, стены и потолок, деревья и озеро, если вы на природе, — все эти объекты существуют, а их положение и свойства могут меняться с течением времени. Можно поставить стул рядом со стеной или посередине комнаты. Можно выпить стакан воды, а можно поставить его на стол. Через какое-то время вода испарится.
Именно так мы видим окружающий мир, смотря на него человеческими глазами, с близкого расстояния. Мы видим пространство, в котором находятся объекты. (При этом под словом «пространство» мы понимаем не космос, а некую трехмерную область, в которой можно перемещаться.) Объекты могут оставаться неизменными либо меняться. Физика изучает объекты, их поведение на самом базовом уровне, который можно представить. Что они из себя представляют? Как связаны друг с другом? Как изменяются со временем? Что такое «время» и что такое «пространство»?
Одна из самых приятных особенностей физики в том, как быстро мы переходим от простых наблюдений — смотрите, вот этот объект ведет себя вот так! — к глубоким вопросам о природе реальности. Но никакие явления не происходят сами по себе: они вписываются в определенные закономерности. Именно их мы называем законами физики, и наша задача — раскрыть их.
Самой простой закономерностью является тот факт, что некоторые объекты не изменяются с течением времени. С размышлений над этой базовой особенностью реальности мы и начнем наш путь, который вскоре приведет нас ко множеству интересных вещей.
Предсказуемость
Можно с уверенностью сказать, что мир вокруг нас предсказуем хотя бы в некоторой степени. На пару секунд отвернувшись от стола, а затем повернувшись назад, мы уверены в том, что снова увидим его. Кладя на стол яблоко, мы знаем: оно не полетит на пол, пройдя сквозь поверхность. Увы, мы пока что не в силах точно сказать, будет ли завтра дождь и кто победит на чемпионате, но результаты многих явлений достаточно предсказуемы.
Именно предсказуемость делает возможным существование физики. Пусть и не с абсолютной точностью, мы можем предугадать, что произойдет в нашем мире, исходя из данных о его текущем состоянии. Самый главный вид предсказуемости — сохранение, то есть отсутствие изменений.
Физики понимают под этим словом «постоянство во времени». Возможно, вы слышали о сохранении энергии, свойства объектов, которым они обладают в зависимости от природы и состояния. Энергия — не вещество, как песок или вода, не жидкость, которая перетекает с одного места в другое. Однако мы можем сказать, что если объект расположен на высоте, движется, нагрет, имеет большой вес, электрически заряжен, он обладает энергией.
При определенных обстоятельствах энергия преобразуется из одной формы в другую и обратно. Например, энергия стоящего на столе стакана, если столкнуть его на пол, мгновенно перейдет в энергию движения. Когда же стакан упадет и разобьется, его энергия рассеется, преобразуясь в энергию удара, шум и другие явления. При этом под сохранением энергии мы понимаем тот факт, что суммарное ее количество, независимо от текущей формы, не изменяется в течение всего наблюдаемого процесса.
(Постойте, спросите вы, где же здесь логика? Мы просто придумали несколько величин, дающих в сумме постоянное число, назвали его «энергией» и радостно сообщаем, что открыли закон физики? Нет. Есть независимые способы определить энергию и показать ее преобразования. Способы, в основе которых тот факт, что законы физики сами по себе неизменны. Но все же вы задали верный вопрос.)
Итак, существует некое свойство объектов, которое не изменяется, остается постоянным с течением времени. Это очень простая идея. Однако я выбрал ее, чтобы начать разговор о физике, совсем не по этой причине. Такое решение связано с тем, что поняв, что энергия сохраняется, ученые сделали первый шаг на пути к современной науке.
От природы к закономерностям
Подумайте о тех, кто в далекие времена, до появления физики в ее нынешнем виде, пытался понять этот мир. Древние мыслители приходили, в общем-то, к схожим мыслям, но чаще других в пример приводят греческого философа Аристотеля. Значительно упрощая предложенную им довольно сложную телеологическую картину вселенной (согласно которой последняя устремлена к некой будущей цели), можно сказать, что он разделил движение всех объектов на «естественное» и «неестественное» («вынужденное»). У каждого объекта есть свойственное ему место, которое он стремиться занять, а также условия, при которых он движется к этому месту. Например, камень падает на землю и остается лежать, огонь поднимается в небо.
