Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
Эпициклы, как были названы эти мини-окружности, вращались с периодом в один земной год, поскольку они были ни что иное, как отражение движения Земли. Другие подгонки требовали еще больше окружностей; применялось
к оглавлению
пятьдесят пять окружностей, чтобы все это работало. Чтобы определить правильные периоды каждой из больших окружностей, александрийский астроном Птолемей откалибровал модель с поразительной степенью точности. Несколькими столетиями позже исламские астрономы уточнили модель Птолемея, а во время Тихо Браге модель предсказывала положения планет, Солнца и Луны с точностью 1 части на 1000 - достаточно хорошо, чтобы согласовываться с большинством наблюдений Браге. Модель Птолемея была математически красива, и ее успех убедил астрономов и теологов более чем на тысячелетие, что ее исходные допущения были верны. И как они могли бы быть
Рис.2. Схема взглядов Птолемея на вселенную [4]. ошибочны? Помимо всего прочего, модель подтверждалась наблюдениями.
Урок состоит в том, что ни математическая красота, ни согласие с экспериментом не могут гарантировать, что идея, на которой базируется теория, имеет хоть малейшее отношение к реальности. Иногда расшифровка образцов явлений в природе уводит нас в ложном направлении. Иногда мы
к оглавлению
очень сильно обманываемся и как индивидуумы, и как общество. Птолемей и Аристотель были не меньшими учеными, чем сегодняшние ученые. Им просто не повезло, что некоторые ложные гипотезы сговорились хорошо работать вместе. От нашей способности обманываться нет лекарства, кроме такого поддержания процесса движения науки, который, в конечном счете, выводит ошибки на свет.
Расшифровать смысл того факта, что все эпициклы имеют одинаковый период и двигаются в фазе с орбитой Солнца, выпало Копернику. Он поместил Землю на ее законное место как планеты, а Солнце вблизи центра вселенной. Это упростило модель, но ввело противоречие, которое античная космология не смогла бы пережить. Почему земная сфера должна вообще отличаться от небесной, если Земля просто еще одна планета, путешествующая через небеса?
Однако Коперник был революционер поневоле, который упустил другие путеводные нити. Большим упущением было то, что даже после того как движение Земли было рассчитано, орбиты планет оказались не точно круговыми. Будучи неспособным избавиться от идеи, что движения в небе должны быть составлены из кругов, Коперник решил эту проблему точно так, как Птолемей четырнадцатью столетиями ранее. Он ввел эпициклы, чтобы подогнать теорию к данным.
Орбита Марса была менее всего круговой. Это было великое счастье Кеплера - и науки тоже - что Тихо Браге поручил ему проблему расшифровки орбиты Марса, и после многих лет работы после того, как он покинул службу у Браге, Кеплер нашел, что Марс описывает в пространстве эллипс, а не окружность.
Это было революционным в том смысле, что не могло быть очевидным для современного Кеплеру читателя. В геоцентрической космологии планеты не описывали замкнутые пути любого вида, поскольку пути каждой из планет относительно Земли комбинировались из двух круговых движений с разными периодами. Только когда орбиты очерчены вокруг Солнца, они образуют замкнутые пути. Только тогда становится возможным ответить на вопрос о форме орбиты. Так расположение Солнца в центре углубляет гармонию мира.
С того момента, когда стало понятно, что планетарные орбиты суть эллипсы, объяснительная сила теории Птолемея была разбита вдребезги. Возникла масса
к оглавлению
новых вопросов: Почему планеты движутся по эллиптическим орбитам? И что их удерживает от того, чтобы разлететься? И что их вообще заставляет двигаться, а не неподвижно висеть в пространстве? Ответ Кеплера был ошибочным предположением, содержащим половину правды: Планеты двигает вокруг по их орбитам сила от Солнца. Представим себе Солнце как вращающегося осьминога, чьи конечности толкают планеты вокруг, когда он поворачивается. Это был первый случай, когда кто-то предположил, что Солнце является источником силы, воздействующей на планеты. Он только неправильно выбрал направление силы.
Браге и Кеплер сокрушили небесные сферы и, тем самым, унифицировали мир. Эта унификация имела серьезные следствия для понимания времени. В космологии Аристотеля и Птолемея не зависящая от времени сфера вечного совершенства окружает земную область. Рост, распад, изменение, все признаки ограниченного временем мира сосредоточены в малой области ниже сферы Луны. Выше ее имеется совершенное круговое движение, неизменное и вечное. Теперь же, после того как сфера, разделяющая ограниченное временем и вневременное была разрушена, могло бы остаться только одно представление о времени. Мог бы этот новый мир быть ограниченным во времени повсюду, с целой вселенной, подверженной росту и распаду? Или вечное совершенство могло бы быть распространено на все творение, так что изменение, рождение и смерть могли бы выглядеть не более чем иллюзиями? Мы все еще боремся с этим вопросом.
Кеплер и Галилей не разгадали тайну взаимосвязи между божественной вечной сферой математики и реальным миром, в котором мы живем. Они углубили эту тайну. Они пробили барьер между небом и Землей, поместив Землю в небо как одну из богоподобных планет. Они нашли математические кривые в движениях тел на Земле и планет вокруг Солнца. Но они не смогли бы излечить фундаментальный разлом между ограниченной временем реальностью и вечной математикой.
К середине 17-го столетия ученые и философы столкнулись с нелегким выбором. Или мир, по существу, является математическим, или он живет во времени. Два ключа к природе реальности витали в воздухе, ожидаемые и неразрешенные. Кеплер открыл, что планеты двигаются вдоль эллипсов. Галилей открыл, что падающие объекты двигаются вдоль парабол. Каждое из этих открытий было выражено в простой математической кривой и
к оглавлению
каждое частично расшифровывало секрет движения. Поодиночке они были глубокими открытиями; вместе они были зародышами Научной Революции накануне ее расцвета.
Это не похоже на сегодняшнюю сложную ситуацию в теоретической физике. Мы имеем два великих открытия, квантовую механику и общую теорию относительности, объединение которых мы пытаемся найти. Работая над этой проблемой большую часть моей жизни, я впечатлен достигнутым нами прогрессом. В то же время я убежден, что где-то на виду спрятана некоторая простая идея, и она будет ключом к разрешению проблемы. Признание, что прогресс может затормозиться, пока мы ждем изобретения чего-то не более существенного, чем идея, унизительно, но это уже происходило ранее. Научная Революция, запущенная простыми открытиями Галилея и Кеплера, долго откладывалась из-за идеи, что вселенная разделена на земную и небесную сферы. Эта идея препятствовала всестороннему применению математики к нижнему миру, тогда как нашему пониманию верхнего мира мешала вера в то, что там не нужно искать причины для совершенных небесных движений.
Возбуждает мысль о том, что могло бы произойти, если бы более чем 1000 лет эта основополагающая концептуальная ошибка не ослепляла мышление умных людей, которые уже имели в своих руках данные и математику, необходимые, чтобы сделать шаги, которые сделал Галилей. Эллинистические и исламские астрономы вполне могли бы сделать некоторые или все открытия Кеплера из данных, доступных за 1000 лет до Тихо Браге. Идея, что Земля вращается вокруг Солнца, не должна была дожидаться Коперника; она всегда была на столе с тех времен, как ее предложил Аристарх Самосский в 3-м веке до нашей эры. Его гелиоцентрическая космология обсуждалась Птолемеем и другими и могла бы быть известна таким великим ученым как Ипатия, блестящий математик и философ, которая жила в Александрии примерно с 360 по 415 годы нашей эры. А если бы она или один из ее ярких студентов открыли бы закон Галилея о падении тел или эллиптические орбиты Кеплера [5]? Мог бы найтись и Ньютон к 6-му столетию, и Научная Революция могла бы стартовать на целых 1000 лет раньше.
Историки могут возразить, что Коперник, Галилей и Кеплер не смогли бы сделать свои открытия до того, как Возрождение подготовило
к оглавлению
путь для освобождения мыслителей от догматизма Темных Эпох. Но во время Ипатии Темные Эпохи еще не наступили, и борьба между представителями греческого учения и религиозным фундаментализмом еще не убила дух рационального исследования. История могла бы быть совершенно другой, если бы кто-нибудь в Александрии времен Рима или, если уж на то пошло, в великих центрах образованности, которые расцвели в исламском мире несколькими столетиями позже, избавился от геоцентрической вселенной. Однако, самые яркие ученые в лучших условиях не смогли проделать концептуальный скачок к представлению, что математические законы управляют движением в земной сфере или что динамические силы играют роль в небесах. Для Галилея и Кеплера понадобилось разрушение сфер, разделяющих две реальности, чтобы сделать возможными их открытия.
