Законы, Управляющие Вселенной
Картография Мира и Расшифровка Законов Физики
С семнадцатого века физики прикладывали огромные усилия, чтобы открыть физические законы, формирующие и контролирующие Вселенную. Похожие усилия прикладывали европейские исследователи, открывающие географию Земли (рисунок 3.1).
В 1506 году Евразия была в центре внимания и намечались проблески Южной Америки. К 1570 году в фокус попали Америки, но не было еще ни намека на Австралию. К 1744 году на карты попала Австралия, но Антарктика оставалась терра инкогнита.
Сходным образом (рис. 3.2), в 1690 году в центре внимания были законы Ньютона. Используя понятия силы, массы и ускорения, а также связывающие их уравнения, такие как F = ma, законы Ньютона точно описывают движение Луны вокруг Земли и Земли вокруг Солнца, полет самолета, конструкцию моста и обрушение детских кубиков. В Главе 2 мы мельком рассмотрели один из законов Ньютона, закон обратных квадратов гравитации.
К 1915 году Эйнштейн и остальные получили серьезные доказательства того, что законы Ньютона не работают в области очень быстрого (объекты, движущиеся почти со скоростью света), в области очень большого (наша Вселенная как единое целое) и в области интенсивной гравитации (например, в черных дырах). Чтобы подлатать эти пробелы, Эйнштейн подарил нам революционную теорию относительности (англ. relativistic laws; рисунок 3.2). С помощью концепции искривленного времени и искривленного пространства (которую я опишу в следующей главе) теория относительности предсказывала и объясняла расширение Вселенной, черные дыры, нейтронные звезды и кротовые норы.
1506 г. - Мартин Вальдземюллер
1570 г. - Абрахам Ортелий
1744 г. - Эммануэль Боуэн
Рис. 3.1. Карты мира с 1506 по 1744 гг.
К 1924 году стало кристально ясно, что законы Ньютона также терпят неудачу и в области очень малого (молекул, атомов и фундаментальных частиц). Для решения этой проблемы Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер и другие подарили нам квантовую механику (англ. quantum laws). Используя концепцию, что все вокруг колеблется случайным образом хотя бы чуть-чуть (эту концепцию я опишу в Главе 26), и что эти колебания (флуктуации) могут создавать новые частицы и излучение там, где раньше ничего не было, квантовая механика дала нам лазеры, ядерную энергию, светодиодные лампы и глубокое понимание химии.
Рис. 3.2. Физические законы, управляющие Вселенной.
К 1957 году стало очевидно, что теория относительности и квантовая механика изначально несовместимы. Они предсказывают разные, несовместимые вещи в областях, где гравитация интенсивна и квантовые флуктуации сильны.[5] Эти области включают рождение Вселенной в Большом Взрыве (Глава 2), ядра черных дыр, таких как Гаргантюа (Главы 26 и 28), и путешествия назад во времени (Глава 30). В этих областях "огненный брак"[6] несовместимых законов теории относительности и квантовой механики дает начало новым законам квантовой гравитации (рисунок 3.2). Мы еще не знаем этих законов, но у нас есть кое-какие неотразимые идеи, в частности теория суперструн (Глава 21), благодаря огромным усилиям лучших мировых физиков двадцать первого века. Не считая этих идей, квантовая гравитация по-прежнему терра почти инкогнита (почти неизвестная земля). И здесь остается достаточно простора для захватывающей научной фантастики, простора, который Кристофер Нолан весьма искусно использует в Интерстелларе, см. Главы 28-30.
Истина, Обоснованные Предположения и Умозрительные Суждения
Наука Интерстеллара лежит на всех четырех территориях: законах Ньютона, теории относительности, квантовой механике и квантовой гравитации. Соответственно, часть этой науки является известной истиной, часть - обоснованным предположением, а часть - умозрительным суждением. Чтобы считаться истиной, наука должна быть основана на прочно устоявшихся физических законах (законах Ньютона, теории относительности или квантовой гравитации), и у нее должна быть достаточная наблюдательная база, чтобы мы могли быть уверены в том, как применяются прочно устоявшиеся законы. Именно в этом смысле, нейтронные звезды и их магнитные поля, описанные в Главе 2, являются истиной. Почему? Во-первых, квантовая механика и теория относительности неизменно предсказывают существование нейтронных звезд. Во-вторых, астрономы во всех подробностях изучили излучение нейтронных звезд-пульсаров (импульсы света, рентгеновского излучения и радиоволн, описанные в Главе 2). Наблюдаемые пульсары красиво и точно объясняются квантовой механикой и теорией относительности, если пульсар является вращающейся нейтронной звездой, и иного объяснения не найти. В-третьих, неизменно предсказывается, что нейтронные звезды должны образовываться в астрономических взрывах - сверхновых, - и мы видим пульсары в центрах больших, расширяющихся газовых облаков - остатках старых сверхновых. Поэтому мы, астрофизики, не сомневаемся, что нейтронноые звезды действительно существуют и действительно испускают излучение наблюдаемых пульсаров.
Другой пример истины - черная дыра Гаргантюа и изгиб световых лучей, искажающий изображения звезд вокруг (рисунок 3.3). Физики называют это искажение "гравитационной линзой", потому что оно сходно с искажением картинки изогнутой линзой или зеркалом, как, например, в комнате кривых зеркал в парке аттракционов.
Рис 3.3. Звезды галактики Гаргантюа, видимые вокруг тени Гаргантюа. Гаргантюа изгибает лучи света, идущие от каждой звезды, и поэтому сильно искажает облик галактики - "гравитационно линзирует" галактику. [Смоделировано для этой книги командой по визуальным эффектам Double Negative.]
Теория относительности Эйнштейна ясно предсказывает все свойства черных дыр снаружи их поверхностей, включая гравитационное линзирование.[7] Наблюдения астрономов неизменно доказывают, что в нашей Вселенной существуют черные дыры, включая гигантские черные дыры вроде Гаргантюа. Астрономы видят гравитационное линзирование других объектов, хотя пока и не черных дыр, и наблюдаемое линзирование точно соответствует предсказаниям теории относительности. Для меня этого достаточно. Гравитационная линза Гаргантюа, смоделированная командой Double Negative Пола Франклина с использованием уравнений теории относительности, которые я дал им, - истина. Именно так она выглядела бы на самом деле.
В противоположность этому, эпифития, угрожающая человечеству на Земле в Интерстелларе - это, с одной стороны, обоснованное предположение, а с другой - умозрительное суждение. Позвольте объяснить это.
Всю письменную историю случайные эпифитии (эпидемии растений) поражали выращиваемые человеком культуры. Биология, лежащая в основе этих эпифитий, основывается на химии, которая в свою очередь основывается на квантовой механике. Ученые еще не знают, как из квантовой механики вывести всю актуальную химию (хотя они могут вывести большую ее часть); и они еще не знают, как из химии вывести всю актуальную биологию. Тем ни менее, из наблюдений и экспериментов биологи много узнали про эпифитии. Те, с которыми люди сталкивались до сих пор, не перескакивали с одного вида растений на другой достаточно быстро, чтобы угрожать человечеству. Однако ничто из того, что мы знаем, не гарантирует, что этого не может произойти. То, что такая эпифития возможна - это обоснованное предположение. То, что она может однажды случиться - это умозрительное суждение, которое большинство биологов считают малоправдоподобным.
Рис. 3.4. Сжигание зараженной кукурузы. [Из Интерстеллара, использована собственность Warner Bros. Entertainment Inc.]
Гравитационные аномалии, происходящие время от времени в Интерстелларе (например, Купер подбрасывает монету и она тут же ныряет к полу; Главы 24 и 25), - это умозрительное суждение. Таковым является и возможность обуздать аномалии, чтобы поднять с Земли человеческие колонии.
Хотя физики-экспериментаторы, измеряя гравитацию, усердно искали аномалии, которые нельзя было бы объяснить ни законами Ньютона, ни теорией относительности, ни одной убедительной аномалии на Земле так и не было найдено.
Как бы то ни было, по мере того, как мы ищем понимания квантовой гравитации, представляется все более вероятным, что наша Вселенная - мембрана (физики называют ее "брана", англ. brane), находящаяся в "гиперпространстве" с большим числом измерений, которое физики назвали "балк" (англ. bulk - большая часть, больший объем); см. рисунок 3.5 и Главы 4 и 21. Когда физики переносят теорию относительности Эйнштейна в этот балк, как Профессор Бранд на доске в своем кабинете (рисунок 3.6), они обнаруживают, что гравитационные аномалии возможны - они могут провоцироваться физическими полями, находящимися в балке.
Мы далеко не уверены, что балк и вправду существует. И если все же существует, тогда то, что там царствуют законы теории относительности - всего лишь обоснованное предположение. И мы понятия не имеем, содержит ли балк, пусть даже существующий, поля, которые могут вызывать гравитационные аномалии, и если да, то можно ли эти аномалии обуздать. Аномалии и их обуздывание - это довольно смелое умозрительное суждение. Но оно основано на науке, и мы кое с кем из моих друзей-физиков с удовольствием потешимся им - по крайней мере поздним вечером за кружкой пива. Так что оно попадает под директивы, которые я отстаивал в Интерстелларе: "Умозрительные суждения … будут брать начало из настоящей науки, из идей, которые хотя бы некоторые 'уважаемые' ученые полагают возможными" (Глава 1).
Рис. 3.5. Наша Вселенная в окрестностях Солнца, изображенная как двухмерная поверхность, или брана, находящаяся в трехмерном балке. На самом деле, у нашей браны три пространственных измерения, а у балка - четыре. Этот рисунок объяснен подробнее в Главе 4, особенно см. рисунок 4.4.
Рис. 3.6. Уравнения теории относительности на доске Профессора Бранда, описывающие возможные обоснования гравитационных аномалий. Подробности см. в Главе 25.
В этой книге, обсуждая науку Интерстеллара, я объясняю статус этой науки - истина, обоснованное предположение или умозрительное суждение - и соответственно помечаю ее в начале главы или раздела:
(И) - истина
(ОП) - обоснованное предположение
(УС) - умозрительное суждение
Разумеется, статус любой идеи - истина, обоснованное предположение или умозрительное суждение - может меняться; такие изменения вы время от времени будете встречать в фильме и в этой книге. Для Купера балк - это обоснованное предположение, которое становится истиной, когда он оказывается там в тессеракте (Глава 29); а законы квантовой гравитации оставались умозрительным суждением до тех пор, пока ТАРС не извлек их из недр черной дыры, так что для Купера и Мерф они стали истиной (Главы 28 и 30).
Для физиков девятнадцатого века ньютоновский закон обратных квадратов был абсолютной истиной. Но около 1890 года произошел революционный переворот, когда заметили маленькую аномалию в орбите Меркурия вокруг Солнца (Глава 24). Законы Ньютона почти точны в Солнечной системе, но не совсем. Эта аномалия вымостила дорогу для эйнштейновской теории относительности двадцатого века, которая начиналась - в области сильной гравитации - как умозрительное суждение, стала обоснованным предположением, когда повалили данные наблюдений, а к 1980 году, благодаря все улучшающимся наблюдениям, обернулась истиной (Глава 4).
Революции, переворачивающие устоявшуюся научную истину, исчезающе редки. Но когда они случаются, они оказывают глубокое влияние на науку и технологию. Можете ли вы назвать в своей жизни умозрительные суждения, которые стали обоснованными предположениями, а затем истиной? Доводилось ли вам видеть, как переворачивается ваша устоявшаяся истина, приводя к революции в вашей жизни?
5. В этих областях, к примеру, энергия света подвержена огромным квантовым флуктуациям. Они столь огромны, что чрезвычайно сильно искривляют время и пространство случайным образом. Подверженное флуктуациям искривление выходит за рамки теории относительности, а влияние искривления на свет выходит за рамки квантовой механики.
6. Фраза "огненный брак" была придумана моим научным руководителем Джоном Уилером, а он был мастер давать всему названия. Джон также придумал слова "черная дыра", "кротовая нора" и фразу "у черной дыры нет волос"; Главы 14 и 5. Однажды он описал мне, как часами лежит в теплой ванне, позволяя сознанию свободно плыть в поисках просто подходящего слова или фразы.
Комментариев нет :
Отправить комментарий