Стивен Хокинг, Леонард Млодинов – Великий замысел


Двухщелевой Футбол. Игрок, посылающий мячи в стену со щелями, произвел бы очевидный результат



страница3/4
Дата30.07.2018
Размер1.88 Mb.
1   2   3   4
Двухщелевой Футбол. Игрок, посылающий мячи в стену со щелями, произвел бы очевидный результат.


Игра Бакиболами. Когда щелевой экран обстреливается бакиболами, результат отражает незнакомые квантовые эффекты.
В австрийском эксперименте, открывание второго промежутка действительно увеличивало число молекул, достигших экрана в одних точках, но сокращало их число в других, как на рисунке ниже. Фактически, когда оба промежутка были открытыми, были пятна, где никакие мячи не приземлились, но где шары приземлялись, когда был открыт только один или другой промежуток. Это кажется очень странным. Как может открытие второго промежутка служить причиной того, что каких-то точек достигло меньшее число молекул?

Мы можем получить ключ к разгадке ответа, исследуя детали. В эксперименте много молекулярных футбольных мячей приземлялись в точку, расположенную на полпути от места, в которое вы ожидали, что они приземлятся, если пройдут и сквозь первый, и сквозь второй промежуток. Чуть дальше центральной позиции приземлялось очень мало молекул, но еще немного дальше от центра снова наблюдалось падение молекул. Эта модель не является суммой моделей, образованных, когда каждый промежуток открыт отдельно, но вы можете узнать ее в Разделе 3 как образец характеристики интерферирующих волн. Участки, где не приземлились молекулы, соответствуют областям, в которых волны, выпущенные из двух промежутков, сошлись не в фазе, и создали гасящую интерференцию; участки, где приземлилось много молекул, относятся к областям, где волны попали в фазу, создав усиливающую интерференцию.

В течение двух тысячелетий научной мысли, обычный опыт и интуиция были основой теоретического обоснования. Совершенствуя наши технологии и расширяя круг феноменов, которые мы можем наблюдать, мы начинаем обнаруживать что природа ведет себя таким образом, который все меньше и меньше согласуется с нашим каждодневным опытом и противоречит нашей интуиции, о чем свидетельствует эксперимент с фуллереном. Этот эксперимент является типичным из вида феноменов, которые нельзя объяснить классической наукой, но можно описать тем, что называется квантовой физикой. Как писал Ричард Фейнман, эксперимент с двумя отверстиями, описанный выше, "содержит всю тайну квантовой механики".

Принципы квантовой физики были раскрыты в первые десятилетия двадцатого века, после того как Ньютоновской теории оказалось недостаточно для описания природы на атомном - или субатомном - уровне. Фундаментальные теории физики описывают силы природы, и как объекты им противодействуют. Классические теории (например, теория Ньютона) построены на основе отражения каждодневного опыта, в котором материальные объекты уникальны, они могут находиться в определенных местах, перемещаться определенными траекториями и т.д. Квантовая физика помогает понять, как законы природы работают на атомных и субатомных уровнях, но как мы увидим позже более детально, она предлагает совершенно другую концептуальную схему, при которой положение объекта, его траектория и даже его прошлое и будущее точно не определено. Квантовые теории сил, таких как гравитационные или электромагнитные, построены на основе этих положений.

Могут ли теории, построенные на основах чуждых повседневному опыту так же объяснять события обыденного опыта, которые были смоделированы с такой точностью классической физикой? Могут, поскольку мы и наша окружающая среда - составные структуры, сделанные из невообразимо большого числа атомов, большего количества атомов, чем существует звезд в видимой Вселенной. И хотя составляющие атомы подчиняются принципам квантовой физики, можно продемонстрировать, что большие скопления, формирующие футбольные мячи, репу и аэробусы - и нас - действительно будут ухитряться избегать дифрагирования через разрезы. Поэтому, хотя компоненты повседневных объектов повинуются квантовой физике, законы Ньютона создают эффективную теорию, которая очень точно описывает, как ведут себя составные структуры, образующие наш повседневный мир.

Это могло бы звучать странно, но в науке есть множество примеров, в которых большое скопление, кажется, ведет себя, в некоторой степени, отлично от поведения его отдельных компонентов. Реакция одного нейрона едва ли предскажет реакцию человеческого мозга, равно как и знание о молекуле воды не много говорит вам о поведении озера. В случае квантовой физики, ученые все еще работают, чтобы выяснить детали того, как законы Ньютона возникают из квантовой сферы. Нам точно известно, что составные части всех объектов подчиняются законам квантовой физики, и Законы Ньютона хорошо описывают модель поведения макроскопических объектов, которые состоят из этих квантовых частиц.

Но предсказания Ньютоновской теории поэтому соответствуют представлению о реальности, в которой мы развиваемся, как познаем мир вокруг нас. Но уникальные атомы и молекулы взаимодействуют совсем по-другому, чем принято в нашей повседневной жизни. Квантовая физика - новая модель реальности, дающая нам картину Вселенной. Это - картина, в которой у многих понятий, фундаментальных для нашего интуитивного понимания действительности больше, нет значения.

Эксперимент с двойной щелью, который был проведен в 1927 году Клинтоном Дависсоном и Лестером Жермером, физиками-экспериментаторами из лаборатории Bell, которые изучали, как пучок электронов - объекты много проще чем "мячи Баки" - взаимодействует с кристаллом, сделанным из никеля. Тот, что материальные частицы, такие как электроны, ведут себя подобно водяным волнам, был одним из тех восхитительных экспериментов, которые, которые повлияли на квантовую физику. Поскольку такое поведение на макроскопическом уровне не наблюдается, учёные долгое время задавались вопросом - насколько большим и сложным должен быть объект, чтобы сохранять способность демонстрировать волновые свойства. Если бы подобный эффект можно было продемонстрировать с участием людей или гиппопотамов, это, безусловно, вызвало бы ажиотаж, однако, как уже было сказано, чем больше размер объекта, тем менее заметны квантовые эффекты. Поэтому маловероятно, что какие-либо животные в зоопарке просочатся, подобно воде, сквозь прутья своих клеток. Тем не менее, физики-экспериментаторы наблюдают волновые явления у частиц всё больших размеров. Учёные надеются повторить когда-нибудь эксперимент с фуллеренами, используя вместо них вирус, который не только значительно превосходит их размерами, но также рассматривается некоторыми как живое существо.

Знание лишь некоторых аспектов квантовой физики требуется для того, чтобы понять аргументы, представленные в следующих главах. Одно из основных свойств - двойственность волны/частицы. Материальные частицы, ведущие себя подобно волне, удивят любого. То, что свет ведёт себя подобно волне, уже давно никого не удивляет. Волновое поведение света представляется нам естественным и уже около двухсот лет считается достоверным и признанным фактом. Если вы направите луч света на две щели, как в вышеописанном эксперименте, две волны появятся и пересекутся на экране. В каких-то точках их гребни будут совпадать, формируя яркое пятно, в других - гребни одной волны будут совпадать с долинами другой, нейтрализуя их и оставляя тёмную область. Английский физик Томас Янг проводил такой эксперимент в начале девятнадцатого века, стараясь убедить людей, что свет есть волна, а не состоит из частиц, как полагал Ньютон.







Хотя кто-то мог бы подумать, что Ньютон ошибался, утверждая, что свет не является волной, но он был прав, когда говорил, что свет ведет себя так, как если бы он состоял из частиц. Сегодня мы зовём эти частицы фотонами. Так же как мы состоим из большого числа атомов, свет, который мы видим в

повседневной жизни, является сложным, в том смысле, что состоит из громадного числа фотонов - даже 1 -ваттный ночник испускает миллиарды миллиардов фотонов каждую секунду. Единичные фотоны обычно не наблюдаются, но в лаборатории мы можем сформировать луч света настолько слабый, что он, по сути, состоит из потока единичных фотонов, которые мы можем обнаружить как отдельные элементы, так же как обнаруживаем единичные электроны или фуллерены. И мы можем повторить эксперимент Янга, используя луч света достаточно низкой плотности, чтобы обеспечить фотонам возможность достигать преграды по одному за раз, с интервалом в несколько секунд. Поступив подобным образом и суммировав затем все индивидуальные отметки, зафиксированные на экране с обратной стороны преграды, мы обнаружим, что имела место интерференция по тому же образцу, как если бы мы выполняли эксперимент Дэвиссона-Гермера, но направляли бы на экран электроны (или фуллерены) по одному за раз. Для физиков этом было поразительным открытием: если отдельные частицы интерферируют сами с собой, тогда волновая природа света является свойством не просто луча или большого количества фотонов, но отдельных частиц.

Другим основным принципом квантовой физики является принцип неопределенности, сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1926 году. Принцип неопределенности гласит, что невозможно одновременно измерить положение и скорость частицы. Согласно принципу неопределенности, например, если вы умножите неопределенность положения частицы на неопределенность ее импульса (масса, умноженная на его скорость) результат никогда не может быть меньше, чем определенное фиксированное значение, названное постоянной Планка. Это похоже на скороговорку, но суть её может быть выражена очень просто: чем точнее вы измеряете скорость, тем менее точно вы сможете измерить положение и наоборот. В случае, если вы сократили вдвое неопределённость в положении, вам следует удвоить неопределённость в скорости. Так же очень важно заметить, что в сравнении с привычными единицами измерения, такими как метры, килограммы или секунды постоянная Планка очень мала. В сущности, если описывать её этими единицами она имеет значение около 6/10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000. В результате, если известно положение макроскопического объекта, скажем, футбольного мяча, массой в 1/3 килограмма, то в пределах 1 миллиметра в любом направлении мы так же сможем измерить и скорость, с точностью большей, чем до миллиардной миллиардной миллиардной километра в час. Всё потому, что будучи измеряемым в этих единицах, футбольный мяч имеет массу в 1/3, а неопределённость в положении в 1/1,000. Ни того, ни другого не хватает, чтобы покрыть все те нули в постоянной Планка, так что эта роль падает на неопределённость в скорости. Но в тех же единицах измерения электрон имеет массу в .00000000000000000000000000001, так что для электронов всё дело совершенно в другом. Если при нашем измерении положения электрона оно выходит соответствующим примерно пределам атома, то принцип неопределённости предписывает, что мы не можем знать скорость электрона с точностью большей, чем плюс или минус 1,000 километров в секунду, что конечно совсем не точно.


Если это верно, то всё, что мы считали волной, на самом деле частица, а всё, что мы считали частицей, на самом деле волна. "
Основываясь на квантовой физике, вне зависимости от того сколько информации у нас уже имеется или насколько велики наши вычислительные возможности, результаты физических взаимодействий не могут быть предсказаны со всей определённостью, потому что определённость не входит в их описание. Вместо этого, учитывая изначальное состояние системы, природа определяет состояние будущего через процесс, который суть фундаментально не

определён. Другими словами, природа не предписывает результатов никаких процессов или опытов, даже в самых простейших ситуациях. Скорее допускает некоторое количество различных вариантов развития, каждый со своей вероятностью осуществления. Всё равно, как если бы, перефразируя Эйнштейна, Бог бросал кости всякий раз, прежде чем решить исход любого физического процесса. Эта идея не давала покоя Эйнштейну и, несмотря на то, что он сам являлся одним из отцов-основателей квантовой физики, в дальнейшем он начинает ее критиковать.

Может показаться, что квантовая физика подрывает саму идею законов природы ею управляющими, но это совсем другой случай. Напротив, она приводит нас к новой форме детерминизма: учитывая состояние системы в какое-либо время, законы природы определяют вероятность различных будущих и прошлых, вместо того, чтобы определять единственное достоверное будущее и прошлое. И хотя некоторым из них это будет неприятно, учёные должны принимать теории, совпадающие с результатами экспериментов, а не свои предвзятые убеждения.

Наука требует от теории лишь того, чтобы её было можно проверить. Если вероятностная природа предсказаний квантовой физики означала невозможность подтверждения этих предсказаний, то квантовые теории никак нельзя было бы назвать научными теориями. Но, не смотря на вероятностную природу предсказаний, мы всё же можем проверить квантовые теории. Например, мы можем повторить эксперимент много раз и удостовериться, что частота различных результатов соответствует предсказанным вероятностям. Рассмотрим эксперимент с мячами Бака. Как говорит нам квантовая физики - ничто не находится в определённой точке, ибо если бы оно находилось, то неопределённость импульса была бы бесконечной. Фактически, согласно квантовой физике, каждая частица имеет некоторую вероятность быть найденной где угодно во Вселенной. Так что, даже если шансы найти электрон в устройстве с двумя отверстиями очень велики, всегда останется некоторая вероятность того, что вместо этого он найдётся на обратной стороне звезды в Альфа Центавре или в пироге с почками из кафетерия рядом с вашим офисом. Как результат, если Вы ударите квантовый бакибол и позволите ему лететь, то никакой объем умений или знаний не даст Вам сказать заранее, где конкретно этот бакибол приземлится. Но если вы повторите этот эксперимент много раз, то полученные данные отразят вероятность нахождения мяча в самых разных местах, а экспериментаторы подтвердят, что результаты подобных экспериментов согласуются с предсказаниями теории.

Важно понимать, что вероятности в квантовой физике - это не то же, что вероятности в Ньютоновой физике или в повседневной жизни. Мы можем это понять, сравнив выстроенные модели равномерного потока бакиболов, выпущенных в экран, с моделью отверстий, выстроенных исходя из того, что игрок в дартс целился в яблочко. Если конечно игроки не пили уж слишком много пива, шансы дротика воткнуться недалеко от центра очень велики, и по мере удаления от центра уменьшаются. Как и с бакиболами, любой из дротиков может воткнуться куда угодно, и, со временем, модель отметин от дротиков, отражающая вероятность, лежащую в своей основе, построится. В повседневной жизни, в такой ситуации мы можем сказать, что дротик имеет определенную вероятность приземления в разных местах, но мы говорим так, только потому (в отличие от случая с бакиболами), что наше знание об условиях его запуска неполные. Мы могли бы улучшить описание предмета, если бы знали точно как именно игрок запустил дротик - его угол, вращение, скорость и т.д. В принципе, тогда мы смогли бы предсказать, где приземлится дротик с той точностью, с которой хотели бы. Использование нами условий вероятности, для описания результата событий в повседневной жизни, таким образом, является не отражением глубинной сущности процесса, но лишь нашего невежества в некоторых его аспектах.

Вероятности в квантовых теориях совсем другие. Они отражают фундаментальную случайность в природе. Квантовая модель природы включает в себя принципы, которые не только противоречат нашему повседневному опыту, но и нашему интуитивному восприятию реального. Те, что находят эти принципы странными или неправдоподобными находятся в хорошем обществе, обществе великих физиков, таких как Эйнштейн и даже Фейнман, чьё описание квантовой теории мы совсем скоро представим. Фейнман, в действительности, как-то написал: "Думаю, я могу спокойно заявить, что никто не понимает квантовой механики". Но квантовая физика согласуется с наблюдениями. Ни одного провального теста,- а тестировали её больше, чем любую другую научную теорию.

В 1940х Ричарда Фейнмана потрясло озарение в понимании разницы между квантовым и Ньютоновым мирами. Фейнмана заинтриговал вопрос, как возникает модель интерференции в эксперименте с двумя отверстиями. Напомним о том, что полученная итоговая модель после того, как мы выстрелили молекулами, когда обе прорези открыты, не есть сумма моделей, если провести эксперимент дважды: один раз только с открытой первой прорезью, а второй - только со второй. Напротив, когда обе прорези открыты, мы находим череду светлых и тёмных полос. Последние это те области, куда не приземлилась ни одна частица. Это означает, что частицы, которые должны были бы попасть в область темной полосы, в случае если, скажем, открыта одна прорезь, там не оказываются, если открыты обе прорези. Как будто где-то на середине своего пути к экрану частицы получают информацию про обе прорези. Такое поведение решительно отличается от того, как всё обстоит в повседневной жизни, в которой мяч проследует сквозь одну из прорезей и на него никак не повлияет состояние второй.

Согласно Ньютоновской физике, и согласно тому, как эксперимент прошёл бы, если бы мы проделали то же самое с футбольными мячами вместо молекул, каждая частица следует единственному строго определённому маршруту от источника к экрану. В такой картине не находится места обходному пути, которым частица по пути посещает окрестности обеих прорезей. Однако, согласно квантовой модели, у частицы будто бы и нет точного местоположения в то время, пока она находится между начальной и конечной точками пути. Фейнман понимал, что не нужно принимать это за отсутствие пути у частиц, пока они следуют от источника к экрану. Совсем наоборот, это могло бы значить, что частицы проходят всеми из возможных путей связывающих эти точки. Вот, утверждал Фейнман, что отличает квантовую физику от Ньютоновой. Эта история с двумя прорезями имеет значение, потому что вместо того, чтобы проследовать единственным определённым путём, частицы прошли всеми, да ещё и за раз. Звучит как научная фантастика, но это не так. Фейнман сформулировал математическое выражение - "Фейнманову сумму предысторий", отражающее эту идею и воспроизводящее все законы квантовой физики. У Фейнмана в теории математическая и физическая картины расходились с исходными формулировками квантовой физики, но предсказания были такими же.

В эксперименте с двумя прорезями идеи Фейнмана сводятся к тому, что частицы выбирают пути, которые ведут либо сквозь одну прорезь, либо сквозь вторую; пути, что ведут сквозь первую прорезь, затем обратно через вторую, и вновь снова через первую; пути, ведущие в ресторан, где подают креветки в соусе карри, затем к Юпитеру, закручиваясь вокруг него несколько раз перед возвращением обратно; и даже пути, что ведут через Вселенную и обратно. Это, по мнению Фейнмана, объясняет, как частица получает информацию о том, какие прорези открыты - если прорезь открыта, частица направляется сквозь неё. Когда обе прорези открыты, пути частиц, путешествующих через одну прорезь, могут пересекаться с путями через вторую, вызывая тем самым интерференцию. Быть может это прозвучит невероятно, но для нынешней фундаментальной физики в целом, и для этой книги в частности, теория Фейнмана оказалась много полезнее, чем оригинальная.







Фейнмановское видение квантовой реальности является ключевым в понимании теорий, которые мы скоро представим, поэтому стоит потратить некоторое время на то, чтобы понять, как там всё устроено. Представьте себе простой процесс, в котором частица из пункта А начинает своё свободное движение. В Ньютоновой модели эта частица проследует по прямой. По истечении некоторого определённого времени мы обнаружим частицу в определенном пункте В, находящимся на этой прямой. В модели Фейнмана квантовая частица проводит выборку всех путей, соединяющих пункты А и Б, составляя при этом число, называемое фазой для каждого пути. Эта фаза представляет собой такое положение в волновом цикле, в котором волна находится либо на верхнем, либо на нижнем пике, или где-то посередине. Формула Фейнмана по математическому расчёту этой фазы показывает, что когда вы складываете вместе волны всех путей, вы получаете "амплитуду вероятности" достижения частицей из пункта А пункта Б. А затем квадрат амплитуды вероятности даёт конечную вероятность достижения пункта Б.

Фаза, в которой все отдельные пути входят в Фейнманову сумму (и, следовательно, в вероятность прохождения пути от А к Б) может быть представлена в виде стрелы определённой ограниченной длины, но могущей воткнуться в любом направлении. Добавим ещё две фазы: поместим стрелу, представляющую одну фазу у наконечника стрелы, представляющей другую фазу, и тем самым получим третью, общую стрелу, представляющую сумму. Чтобы увеличить количество фаз, просто продолжайте добавлять стрелы. Заметим, что когда фазы выстроены в линию, стрела, представляющая сумму может быть довольно длинной. Но если стрелы направлены в разные стороны, то они быстро заканчиваются, по мере их добавления, оставляя вас с совсем небольшим количеством стрел. Эта идея изображена на рисунке ниже.

Для выполнения условий Фейнмана по расчёту вероятностной амплитуды, что частица из пункта А достигнет пункта Б, вы просто складываете фазы или стрелы, представляющими все пути, связывающие А и Б. Существующих путей бесконечно много, что слегка усложняет расчёты, но этот способ работает. Некоторые пути показаны ниже.


Теория Фейнмана очень чётко показывает, как можно вывести Ньютонову картину мировосприятия из квантовой физики, кажущейся совершенно отличной. Согласно Фейнмановой теории, фазы связанные с каждым путём зависят от постоянной Планка. Теория предписывает, что поскольку постоянная Планка является очень малым числом, то, когда вы складываете сумму путей, близких другу другу, их фазы сильно варьируются, и, как видно на рисунке, их сумма в результате будет сводиться к нулю. Но теория также показывает, что существуют определенные пути, фазы которых имеют тенденцию выстроиться в линию, и именно они дают сумму более предпочтительную (значительную) для изучения процесса поведения частицы. Оказывается, что применительно к большим объектам, пути, подобные тем, что предсказаны теорией Ньютона, будут иметь подобные фазы, и в сумме дадут наибольшую составляющую. Таким образом, единственным конечным пунктом, имеющим практическую вероятность больше нуля, будет конечный пункт, предсказываемый теорией Ньютона, и этот пункт будет иметь вероятность очень близкую к единице. Следовательно, большие объекты двигаются именно так, как предсказывает теория Ньютона.


Путь из А в Б. “Классический” путь между двумя точками - это прямая линия. Фазы путей, которые расположены близко к классическому пути, имеют тенденцию увеличивать друг друга, в то время как фазы путей дальше от него имеют тенденцию уравновешиваться.
Пока что мы обсуждали идеи Фейнмана в контексте эксперимента с двойной прорезью. В этом эксперименте частицы запускались в направлении стенки с прорезями, и мы измеряли их местоположение на экране, помещенном за стенкой, в который попадали частицы. В общем, вместо лишь одной частицы, теория Фейнмана позволяет нам предсказывать вероятные результаты "системы", которая могла бы быть частицей, рядом частиц, или даже всей Вселенной. Между начальным состоянием системы и нашим последующим определением ее свойств, эти свойства эволюционируют некоторым путем, который физики называют историей системы. В эксперименте с двойной прорезью, например, история частицы - просто ее путь. Так же, как для эксперимента с двойной прорезью возможность наблюдать, что частица приземлится в любой данной точке, зависит от всех путей, которые, могли бы там быть получены, Фейнман показал, что для общей системы вероятность любого наблюдения построена из всех возможных историй, которые могли бы привести к этому наблюдению. Из-за этого его метод, названный "суммой по историям" или "альтернативными историями", является формулировкой квантовой физики.

Теперь, когда у нас есть мнение о Фейнмановском подходе к квантовой физике, пришло время исследовать другой ключевой квантовый принцип, который мы будем использовать позже — принцип, что наблюдение системы должно менять ее поведение. Можем ли мы, как мы делаем, когда у нашей начальницы на подбородке пятно горчицы, осторожно наблюдать, но не вмешиваться? Нет. Согласно квантовой физике, Вы не можете "просто" наблюдать за чем-либо. Таким образом, квантовая физика признает, что, чтобы произвести наблюдение, Вы должны взаимодействовать с наблюдаемым Вами объектом. Например, чтобы видеть объект в традиционном смысле, мы светим на него светом. Освещение тыквы окажет на нее, конечно, не большой эффект. Но освещение даже тусклым светом крошечной квантовой частицы - то есть, стрельба в нее фотонами — действительно имеет ощутимый эффект, и опыт показывает, что это изменяет результаты эксперимента точно так, как описывает квантовая физика.

Предположим, что, как и раньше, мы направляем поток частиц на барьер в эксперименте с двойной прорезью и собираем данные о первом миллионе прошедших частиц. Когда мы определяем местоположение ряда частиц, оказавшихся в различных точках обнаружения, данные сформируют представленную картину интерференции, и когда мы добавим фазы, связанные со всеми возможными путями частицы от отправной точки А до ее точки обнаружения B, мы обнаружим, что вычисленная нами вероятность попадания в различные точки согласуется с этими данными.

Теперь предположим, что мы повторяем эксперимент, на этот раз, освещая прорези светом так, чтобы зафиксировать промежуточный пункт C, через который прошла частица. (C является положением либо одного разреза, либо другого). Это называют информацией "выбора пути", потому что она говорит нам, следовала ли каждая частица от А к прорези 1 и к B, или от А к прорези 2 и к B. Так как мы теперь хорошо знаем, через какую прорезь проходит каждая частица, наша сумма для этой частицы будет теперь включать только пути, которые проходят через прорезь 1, либо только пути, которые проходят через прорезь 2. Она никогда не будет включать и пути, проходящие через прорезь 1, и пути, проходящие через прорезь 2. Поскольку Фейнман объяснил картину интерференции, указав, что пути, которые проходят через одну прорезь, сталкиваются с путями, которые проходят через другую, если Вы включаете свет, чтобы определить, через какую прорезь проходят частицы, тем самым исключая другой вариант, Вы заставите картину интерференции исчезнуть. И действительно, если этот эксперимент выполнить, включение света изменяет результаты с картины интерференции на картину, подобную этой! Кроме того, мы можем изменять эксперимент, используя очень слабый свет, чтобы не все частицы взаимодействовали со светом. В этом случае мы можем получить информацию о выборе пути только для некоторого подмножества частиц. Если мы затем разделим данные о прибытии частицы согласно тому, получали ли мы информацию о выборе пути или нет, мы обнаружим, что данные, имеющие отношение к подмножеству, для которого у нас нет никакой информации о выборе пути, сформируют картину интерференции, а подмножество данных, имеющих отношение к частицам, для которых у нас есть информация о выборе пути, интерференции не покажет.

Эта идея имеет важное значение для нашего понятия "прошлого" В Ньютоновой теории предполагается, что прошлое существует в виде определенного ряда событий. Если Вы видите, что ваза, которую Вы купили в Италии в прошлом году, лежит разбитая на полу, а Ваш малыш, стоящий над ней, выглядит застенчиво, Вы можете проследить назад события, которые привели к неприятности: маленькие пальцы разжимаются, ваза падает и разбивается на тысячу частей, как она была обнаружена. Фактически, учитывая полные данные о настоящем, законы Ньютона позволяют вычислить полную картину прошлого. Это совместимо с нашим интуитивным пониманием, что, или неприятное, или счастливое, у мира есть определенное прошлое. Возможно, не было ни одного наблюдения, но прошлое существует так же несомненно, как будто Вы сделали серию его снимков. Но нельзя сказать, что квантовый баккиболл проделал определенный путь от источника до экрана. Мы могли бы точно определить местоположение баккиболла, наблюдая за ним, но между нашими наблюдениями требуются все пути. Квантовая физика говорит нам, что независимо от того, насколько детально наше наблюдение настоящего, (ненаблюдаемое) прошлое, как и будущее, неопределенно и существует только в виде спектра возможностей. У Вселенной, согласно квантовой физике, нет единственного прошлого или истории.

Факт, что прошлое не принимает определенной формы, означает, что наблюдения системы, которые Вы делаете в настоящем, затрагивают ее прошлое. Это довольно наглядно подчеркнул образец эксперимента, продуманного физиком Джоном Уилером, названного экспериментом с отложенным выбором. Кратко, эксперимент с отложенным выбором похож на только что описанный нами эксперимент с двойной прорезью, в котором у Вас есть возможность выбора, наблюдать ли путь, проделанный частицей, за исключением того, что в эксперименте с отложенным выбором Вы откладываете свое решение, наблюдать путь или нет, до самого момента, пока частица не попадает на детекторный экран.

Эксперименты с отложенным выбором имеют своим результатом данные, идентичные тем, что мы получаем, когда хотим наблюдать (или не наблюдать) информацию о выборе пути, непосредственно следя за прорезями. Но в этом случае путь каждой частицы — то есть, ее прошлое — будет определен намного позже того, как она прошла через прорези, и, по-видимому, должна была «решить», перемещаться ли только через одну прорезь, не вызывая интерференцию, или через обе, вызывая.

Вилер даже рассматривал космическую версию эксперимента, в которой рассматриваемыми частицами служат фотоны, испускаемые сильными квазарами с расстояния в миллиарды световых лет. Такой свет мог быть расщеплен на две траектории и перефокусирован в направлении Земли гравитационной линзой галактики, лежащей посредине. Хотя этот эксперимент недосягаем при нынешних технологиях, если мы могли бы собрать достаточно много фотонов этого света, они должны сформировать картину интерференции. Все же, если мы помещаем устройство для получения информации

о выборе пути сразу перед детекторным экраном, эта картина должна исчезнуть. Выбор, избрать ли один путь или оба, в этом случае был бы сделан миллиарды лет назад, до того как была сформирована Земля или, возможно, даже наше Солнце, и все же нашим наблюдением в лаборатории мы повлияем на этот выбор.

В этой главе мы иллюстрировали квантовую физику, используя эксперимент с двойной прорезью. В дальнейшем мы применим формулировку квантовой механики Фейнмана к Вселенной в целом. Мы увидим, что, как и частица, Вселенная имеет не одну лишь единственную историю, но у каждой возможной истории есть собственная вероятность; и наши наблюдения за ее текущим состоянием затрагивают ее прошлое и обуславливают различные истории Вселенной, также как наблюдения за частицами в эксперименте с двойной прорезью затрагивают прошлое частиц. Это рассмотрение покажет, как законы природы в нашей Вселенной возникли из Большого Взрыва. Но прежде чем мы исследуем, как возникли законы, мы немного поговорим о том, что эти законы собою представляют, и о некоторых тайнах, которые они за собой влекут.

5

ТЕОРИЯ ВСЕГО

Самое непостижимое во Вселенной то, что она постижима.

  • АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН



ВСЕЛЕННАЯ ПОСТИЖИМА, потому что ею управляют научные законы; то есть ее поведение можно смоделировать. Но что это за законы или модели? Первая сила, описанная математическим языком, была силой тяжести. Закон притяжения Ньютона, опубликованный им в 1687 году, гласит, что каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект с силой пропорциональной его массе. Он произвел значительное впечатление на интеллектуалов того времени, потому что в первый раз было показано, что минимум один аспект Вселенной мог быть точно смоделирован, что привело к созданию математического аппарата, чтобы просчитывать это. Идея, что существуют законы природы, была похожа на ту, за что Г алилея обвинили в ереси около 50 лет до этого. Например, в Библии говорится, что Иисус Навин молился, чтобы Солнце и Луна остановились, так чтобы у него был бы лишний светлый день, чтобы успеть закончить сражение Аморреев в Ханаане. Как пишется в библии, Солнце продолжало светить целые сутки. Теперь мы знаем, что это означало бы, что Земля прекратила вращаться. Если Земля остановится, в соответствие с законами Ньютона все незакрепленные объекты на ней будут продолжать двигаться по инерции со скоростью вращения Земли (1700 км/час на экваторе) — высокая цена за продолжение солнечного дня. Однако самого Ньютона это не волновало, поскольку, как мы уже отмечали, Ньютон верил в то, что Бог мог вмешиваться и вмешивался в функционирование Вселенной.

Следующим аспектом Вселенной, для которого были открыты законы или модели, являются электрические и магнитные силы. Их поведение подобно гравитации, с важным отличием, что два электрических заряда или два магнита одного типа отталкивают друг друга, а разного типа - притягивают. Электрические и магнитные силы более сильные, чем силы гравитации, но мы обычно не замечаем их в повседневной жизни, потому что макроскопические тела содержат почти равное количество положительных и отрицательных зарядов. Это означает, что электрические и магнитные силы между двумя макроскопическими телами почти уравновешивают друг друга, в отличие от сил гравитации, которые складываются.

Наше нынешнее понятие об электричестве и магнетизме были сформированы за период около ста лет, с середины 18 и до середины 19 веков, когда физики нескольких стран, проводя тщательные эксперименты, изучали электрические и магнитные силы. Одним из важнейших открытий является то, что электрические и магнитные силы взаимосвязаны. Движение электрического заряда влияет на магнит, и движение магнита воздействует на электрические заряды. Первым, кто понял, что существует некоторая взаимосвязь, был датский физик Ганс Христиан Эрстед. Проводя лекцию в университете в 1820 году, Эрстед заметил, что электрический ток из батареи, которую он использовал, влияет на стрелку рядом находящегося компаса. Он вскоре осознал, что электрический ток создал магнитную силу, и ввел новый термин "электромагнетизм". Несколько лет спустя, британский физик Майкл Фарадей обосновал, что - выражаясь современными терминами - если магнитное поле возникает из электрического тока, то и магнитное поле должно производить электрический ток. Он продемонстрировал этот эффект в 1831 году. Четырнадцатью годами спустя, Фарадей также открыл взаимосвязь между электромагнетизмом и светом, когда демонстрировал, что сильное магнитное поле может воздействовать на свойства поляризованного света.

Фарадей официально был малообразованным. Он родился в семь кузнеца в пригороде Лондона и оставил школу в возрасте 13 лет, чтобы работать рассыльным и переплетчиком в книжном магазине. Там, спустя годы, он изучил науки, читая книги, с которыми он имел дело, и, проводя простые и недорогие эксперименты в свое свободное время. В конце концов, он устроился работать ассистентом в лабораторию великого химика Сэра Хемфри Деви. Фарадей будет продолжать работать там все свои оставшиеся 45 лет, и после смерти Деви, сменит его. Фарадей имел проблемы с математикой и никогда ее хорошо не изучал, поэтому ему было сложно постигать теоретическую картину сложного электромагнитного феномена, который он наблюдал в своей лаборатории. Тем не менее, он справился.

Одним из величайших его открытий была идея силового поля. В наши дни, благодаря книгам и кинофильмам о пучеглазых пришельцах и их космических кораблях, большинство людей знакомо с эти понятием, поэтому ему следовало бы получить гонорар. Через века между Ньютоном и Фарадеем, одной из величайших тайн физики было то, что, согласно его законам, эти силы действуют через пустое пространство, которое разделяет взаимодействующие объекты. Фарадею не нравилось это. Он считал, что чтобы переместить объект, нечто должно войти с ним в контакт. И, поэтому, он представлял пространство между электрическими разрядами и магнитами, как заполненное невидимыми трубками, которые физически притягивают и отталкивают. Фарадей назвал эти трубки силовым полем. Чтобы наглядно продемонстрировать силовое поле, нужно выполнить школьный опыт, в котором стеклянная тарелка помещена над куском магнита, и иголки распределяются по стеклу. Металлические опилки двигаются так, если бы их подталкивала невидимая сила, и выстраиваются по силовым линиям от одного магнитного полюса к другому. Этот опыт наглядно демонстрирует невидимые магнитные силы, пронизывающие пространство. Сегодня мы считаем, что все силы распространяются через поля. Это важная концепция в современной физике - так же, как и в научной фантастике.

Силовое поле. Силовое поле стержневого магнита, проиллюстрированное реакцией железных опилок.

Несколько десятилетий понимание электромагнетизма не изменялось, оставаясь на уровне знания нескольких эмпирических законов: некоторое подозрение, что электричество и магнетизм близко, если не мистически, связаны; идея, что они имеют какое-то отношение к свету; и зарождающаяся концепция поля. Как минимум одиннадцать теорий электромагнетизма существовало, но каждая из них давала трещину. Но в 1860-е годы шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл облек идеи Фарадея в математическую оболочку, что позволило объяснить близкую и мистическую связь межу электричеством, магнетизмом и светом. Результатом было набор уравнений, описывающих и электрические, и магнитные силы, как демонстрация общей физической сущности - электромагнитного поля. Максвелл объединил электричество и магнетизм в одну силу. Более того он показал, что электромагнитное поле может распространяться через пространство как волна. Скорость этой волны определяется членом его уравнений, которое он определил по экспериментальным данным, которые он наблюдал несколько лет. К своему изумлению, скорость, которую он вычислил, оказалась эквивалентна скорости света, рассчитанной экспериментально с точностью до одного процента. Он обнаружил, что свет сам по себе является электромагнитной волной!

Сегодня уравнения, описывающие электрические и магнитные поля, называются уравнениями Максвелла. Некоторые слышали о них, но они, вероятно, являются самыми важными уравнениями, которые нам известны. Они не только управляют работой от простейших домашних приборов до компьютера, но они также описывают волны, отличные от света, такие как микроволны, радиоволны, инфракрасные волны и рентгеновские лучи. Все они отличаются от видимого света только одним - длинной волны. Радиоволны имеют длину волны метр или более, тогда как длина волны видимого света - нескольких десятых микрометра, а рентгеновские лучи короче нескольких сотых микрометра. Наше Солнце излучает все длины волн, но его излучение наиболее интенсивное в видимом диапазоне волн. Это не случайно, что длины волн, которые мы способны видеть невооруженным глазом, совпадают с теми длинами, которые Солнце излучает особенно сильно. Вероятно, что наши глаза имеют способность замечать электромагнитное излучение строго в этом диапазоне, потому что этот диапазон излучения наиболее пригодный для них. Если мы когда-либо столкнемся с существами с других планет, они вероятно будут иметь способность "видеть" излучение в каком-то диапазоне длин волн, которое их Солнце излучает наиболее сильно, учитывая такие факторы, как светозапорные характеристики от пыли и газов в атмосфере их планеты. Таким образом, пришельцы, которые эволюционировали при рентгеновском излучении, могли бы сделать хорошую карьеру в службе безопасности аэропорта.

Длина волны. Микроволны, радиоволны, инфракрасный свет, рентген и разные цвета света - отличаются только своей длиной волны.

Уравнения Максвелла предписывают, что электромагнитные волны распространяются со скоростью около 300000 километров в секунду или около 670 миллионов миль в час. Но ссылаться скорость ничего не означает, если Вы не определяете систему координат, относительно которой измерена скорость. Это не то, о чем Вы обычно должны думать в повседневной жизни. Когда на Вашем спидометре 60 миль в час, подразумевается, что Ваша скорость

измерена относительно дороги, а не черной дыры в центре Млечного пути. Но даже в повседневной жизни есть случаи, в которых Вы должны принять во внимание систему координат. Например, если Вы несете чашку чая по проходу реактивного самолета в полете, Вы могли бы сказать, что Ваша скорость составляет 2 мили в час. Кто-то на Земле, однако, мог бы сказать, что Вы двигаетесь со скоростью в 572 мили в час. Как бы Вы не считали, что один или другой из тех наблюдателей больше прав, имейте в виду, что, потому что Земля вращается вокруг Солнца, кто-то, наблюдая за Вами с его поверхности, не согласился бы с обоими и сказал бы, что Вы двигаетесь приблизительно в 18 миль в секунду, не говоря уже о зависти Вашему комфорту. В свете таких разногласий, когда Максвелл утверждал, что обнаружил "скорость света", получающуюся из его уравнений, естественный вопрос был, какова скорость света в уравнениях Максвелла, измеренная относительно?

Нет никакой причины полагать, что параметр скорости в уравнениях Максвелла - скорость, измеренная относительно земли. Его уравнения, в конце концов, относятся ко всей Вселенной. Альтернативный ответ, который рассматривался некоторое время, - то, что его уравнения определяют скорость света относительно ранее необнаруженной среды, пронизывающее все пространство, названной люминофорным эфиром, или если коротко, просто эфир, который был термином Аристотеля для вещества, которое, как он полагал, заполняет всю Вселенную вне земной сферы. Этот гипотетический эфир был бы средой, через которую распространяются электромагнитные волны, как звук распространяется через воздух. Если бы эфир существовал, был бы абсолютный стандарт покоя (то есть, покоя относительно эфира) и, следовательно, абсолютный способ определить движение. Эфир обеспечил бы привилегированную систему отсчета всюду по всей Вселенной, относительно которой могла быть измерена скорость любого объекта. Таким образом, эфир, как постулировалось, существовал только теоретически, побуждая некоторых ученых на поиски способа изучить его, или, по крайней мере, подтвердить его существование. Одним из этих ученых был сам Максвелл.

Если Вы мчитесь через воздух к звуковой волне, волна приближается к Вам быстрее, и если Вы мчитесь от нее, это приближается к Вам более медленно. Точно так же, если бы был эфир, то скорость света изменилась бы в зависимости от Вашего движения относительно эфира. Фактически, если свет действовал бы подобно звуку, так же, как люди на сверхзвуковом самолете никогда не будут слышать звука, который доносится из самолета, также путешественники, мчащиеся достаточно быстро через эфир были бы в состоянии опередить световую волну. Рассуждая таким образом, Максвелл предложил эксперимент. Если есть эфир, Земля должна перемещаться сквозь него, поскольку она вращается вокруг Солнца. И так как Земля движется в другом направлении в январе чем, скажем, в апреле или июле, можно было бы заметить небольшое различие в скорости света в разное время года — см. рисунок ниже.






От публикации этой идеи в «Трудах Королевского Общества» Максвелла отговаривал его редактор, который не считал, что эксперимент сработает. Но в 1879, незадолго до того, как он умер в сорок восемь лет от рака желудка, Максвелл послал письмо о этом своему другу. Письмо было издано посмертно в журнале Nature, где его прочитал, среди прочих, американский физик по имени Альберт Майкельсон. Вдохновленный предположением Максвелла, в 1887 году Майкельсон и Эдвард Морли выполнили очень чувствительный эксперимент, задуманный, чтобы измерить скорость, с которой Земля движется сквозь эфир. Их идея состояла в том, чтобы сравнить скорость света в двух различных направлениях, под прямым углом. Если бы скорость света была постоянным числом относительно эфира, измерения должны были обнаружить скорости света, которые отличались бы в зависимости от направления луча. Но Майкельсон и Морли не заметили такого различия.

Результат эксперимента Майкельсона и Морли находится ясно в конфликте с моделью электромагнитных волн, распространяющихся через эфир, и заставил отказаться от модели эфира. Но цель Майкельсона состояла в том, чтобы измерить скорость Земли относительно эфира, а не доказать или опровергнуть гипотезу эфира, и что он открыл, не подтолкнуло его прийти к заключению, что эфира не существует. Никто больше также не пришел к такому выводу. Известный физик сэр Уильям Томсон (Лорд Келвин) сказал в 1884 году, что эфир был "единственной субстанцией, в которой мы уверены в динамике. Единственное, в чем мы уверены, так это в истинности и реальности люминофорного эфира.

Как можно верить в эфир, не смотря на результаты эксперимента Майкельсона - Морли? Как мы уже говорили, люди часто пытаются спасти изобретенную модель специальными дополнениями. Некоторые постулировали, что Земля тянула эфир за собой, таким образом, мы фактически не двигались относительно него. Голландский физик Хендрик Антун Лоренц и ирландский физик Джордж Фрэнсис Фицджеральд предположили, что в структуре, которая перемещалась относительно эфира, вероятно из-за некоторого все же неизвестного механического эффекта, ход времени замедляется, и расстояния сокращаются таким образом, что измерение скорости света дает то же самое значение. Такие усилия спасти понятие эфира продолжались в течение почти двадцати лет до замечательной статьи молодого и неизвестного клерка в патентном бюро в Берне, Альберта Эйнштейна.

Эйнштейну было двадцать шесть лет в 1905, когда он опубликовал свою работу "Zur Elektrodynamik bewegter Korper" ("К электродинамике движущихся тел"). В ней он сделал простое предположение, что законы физики и в особенности скорость света, должны быть одинаковыми для всех равномерно движущихся наблюдателей. Эта идея совершила революцию в нашем понятии о пространстве и времени. Чтобы понять почему, вообразите два события, которые имеют место в той же самой точке, но в разное время в реактивном самолете. Для наблюдателя на самолете расстояние между этими двумя событиями будет нулевым. Но для второго наблюдателя на Земле события будут отделены расстоянием, самолет пролетел за время между событиями. Это показывает, что два наблюдателя, которые двигаются друг относительно друга, не смогут прийти к соглашению о пройденном расстоянии между двумя событиями.

Теперь предположите, что эти два наблюдателя наблюдают луч света, направляющегося от хвоста самолета к его носу. Так же, как в вышеупомянутом примере, они не смогут договариваться о расстоянии, которое прошел свет от хвоста самолета к его носу. Так как скорость - это расстояние, пройденное за определенное время, это значит, что если они придут к соглашению о скорости, с которой распространяется луч - скорости света - это значит, что они не придут к соглашению об интервале времени между началом распространения луча вдоль самолета и его окончанием.

На Борту Самолета. Если вы бросаете мяч на самолете, то наблюдатель на борту может обнаружить, что мяч каждый раз ударяется в одно и то же место, в то время как наблюдатель на Земле будет фиксировать огромную разницу в точках соударения.

В чем странность этого явления - в том, что, хотя эти два наблюдателя измерили различные интервалы времени, они наблюдали тот же самый физический процесс. Эйнштейн не пытался искусственным образом объяснить это. Он вывел поразительное заключение, что измерение затраченного времени на преодоление расстояния, зависит от наблюдателя,

проводящего измерение. Тот эффект является одним из ключевых в теории, описанной в статье Эйнштейна в 1905 году, которая получила название специальной теории относительности.

Мы можем видеть, как этот анализ может применяться к устройствам хронометрирования, если мы рассматриваем двух наблюдателей, наблюдающих за часами. Специальная теория относительности считает, что часы бегут быстрее согласно наблюдателю, который находится в покое относительно часов. Наблюдателям, которые не являются в покое относительно часов, кажется, что часы бегут медленнее. Если мы уподобляем световой импульс, идущий из хвоста до носа самолета, тиканью часов, мы видим, что для наблюдателя на Земле часы идут медленнее, потому что в той системе координат луч света должен переместиться на большее расстояние. Но результат не зависит от механизма часов; он справедлив для всех часов, даже наших собственных биологических.







Работа Эйнштейна показала, что, как и понятие покоя, время не может быть абсолютным, как полагал Ньютон. Другими словами, невозможно определить для каждого события время, с которым согласится любой наблюдатель. Вместо этого у всех наблюдателей есть свои собственные меры времени, и время, измеренное двумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга, не будет совпадать. Идеи Эйнштейна вступают в противоречие с нашей интуицией, потому что их последствия не заметны на скоростях, с которыми мы обычно сталкиваемся в повседневной жизни. Но они неоднократно подтверждались экспериментально. Например, представьте себе эталонные часы в состоянии покоя в центре земли, другие часы на поверхность земли, а третьи на борту самолета, летящего либо по направлению, либо против направления вращения Земли. По отношению к часам в центре земли часы на борту самолета, движущегося в восточном направлении — в направлении вращения земли - перемещаются быстрее, чем часы на поверхности Земли, и поэтому они должны идти медленнее. Точно так же в отношении часов в центре земли, часы на борту самолета, летящего на запад — против вращения земли - перемещаются медленнее, чем часы на поверхности, что означает, что эти часы должны идти быстрее, чем часы на поверхности. И это в точности наблюдалось, когда в эксперименте, проделанном в октябре 1971, очень точные атомные часы облетели вокруг света. Таким образом, можно растянуть свою жизнь, постоянно летя в восточном направлении вокруг света, хотя Вы могли бы устать от просмотра всех тех кинофильмов авиалиний. Однако эффект очень мал, приблизительно 180 миллиардных частей секунды за оборот (и он также несколько уменьшается из-за влияния разницы в силе тяжести, но нам здесь не нужно в это вдаваться).

Благодаря работе Эйнштейна, физики поняли, что из-за требования, чтобы скорость света была одной и той же во всех системах координат, теории электричества и магнетизма Максвелла определяют, что время нельзя рассматривать отдельно от трех пространственных измерений. Наоборот, время и место взаимосвязаны. Это нечто вроде добавления четвертого направления будущее/прошлое к обычным влево/вправо, взад/вперед, и вверх/вниз. Физики называют это сочетание пространства и времени "пространство-временем", и поскольку пространство- время включает четвертое направление, они называют его четвертым измерением. В пространстве-времени время больше не отделено от трех пространственных измерений, и, грубо говоря, как определение влево/вправо, вперед/назад или вверх/вниз зависит от ориентации наблюдателя, так же направление времени меняется в зависимости от скорости наблюдателя. Наблюдатели, движущиеся на различных скоростях, выбрали бы различные направления для времени в пространстве-времени. Специальная теория относительности Эйнштейна поэтому была новой моделью, которая избавилась от понятий абсолютного времени и абсолютного покоя (то есть, покоя относительно неподвижного эфира).

Эйнштейн скоро понял, что, чтобы согласовать гравитацию с относительностью, необходимо было дополнительное измерение. Согласно теории тяготения Ньютона, в любой момент времени объекты притягиваются друг к другу силой, зависящей от расстояния между ними в этот момент. Но теория относительности упразднила понятие абсолютного времени, поэтому не было никакого способа определить, когда должно быть измерено расстояние между массами. Таким образом, теория тяготения Ньютона не была совместима со специальной относительностью и должна была быть изменена. Противоречие могло походить на простую техническую трудность, возможно, даже детали этого так или иначе могли быть решены обходным путем без большого изменения в теории. Как оказалось, ничего подобного.

За последующие одиннадцать лет Эйнштейн разработал новую теорию тяготения, которую он назвал общей относительностью. Понятие силы тяжести в общей относительности совсем не похоже на Ньютоновское. Вместо этого оно базировалось на революционном предложении, что пространство- время не плоское, как было принято ранее, а изогнуто и искривлено массой и энергией в нем.

Хороший способ изобразить искривление - представить себе поверхность Земли. Хотя поверхность Земли всего лишь двумерна (потому что на ней есть только два направления, например, север/юг и восток/запад), мы собираемся использовать ее в качестве нашего примера, потому что искривленное двумерное пространство легче себе представить, чем искривленное четырехмерное пространство. Геометрия искривленных пространств, таких как поверхность Земли, не представляет собой знакомую нам Евклидову геометрию. Например, на поверхности Земли самое короткое расстояние между двумя пунктами — которое мы знаем как прямую в Евклидовой геометрии - это путь, соединяющий два пункта вдоль так называемого большого круга. (Большой круг - это круг на поверхности Земли, центр которого совпадает с центром Земли. Экватор -пример большого круга, и вообще, любой круг, полученный поворотом экватора вместе с различными диаметрами).

Представьте, скажем, что Вы хотели путешествовать из Нью-Йорка в Мадрид, два города, лежащие почти на одной и той же широте. Если бы Земля была плоской, то самый короткий маршрут должен был держать курс прямо на восток. Если бы
Вы так сделали, то прибыли бы в Мадрид, пропутешествовав 3 707 миль. Но из-за искривления Земли есть путь, который на плоской карте выглядит кривым и, следовательно, более длинным, но который в действительности короче. Вы можете добраться туда, преодолев 3 605 миль, если проследуете по маршруту большого круга, который должен сначала взять курс на северо-восток, затем постепенно повернуть на восток, а затем на юго-восток. Различие в расстоянии между этими двумя маршрутами возникает из-за искривления Земли и свидетельства ее неевклидовой геометрии. Авиалинии знают это и принимают меры, чтобы их пилоты следовали маршрутами большого круга практически всегда.



Геодезия. Кратчайшее расстояние между двумя точками на земной поверхности искривляется, будучи нарисованным на плоской карте - что-то всплывает в памяти, если Вы проходили тест на трезвость.

Согласно законам механики Ньютона, объекты, такие как пушечные ядра, круассаны и планеты, перемещаются по прямым линиям, если на них не действуют силы, такие как сила тяжести. Но гравитация в теории Эйнштейна не является силой, подобно другим; скорее она представляет собой следствие того факта, что масса искажает пространство-время, создавая искривление. В теории Эйнштейна объекты движутся по геодезическим линиям, что ближе всего к прямым в искривленном пространстве. Линии являются геодезическими на плоскости, а большие круги - геодезические на поверхности Земли. В отсутствие вещества,

Из общей теории относительности Эйнштейна выделяют специальную теорию относительности, для случаев с нулевой гравитацией, которая выдаёт почти такие же предсказания, как и теория тяготения геодезические линии в четырехмерном пространстве- времени соответствуют линиям в трехмерном пространстве. Но когда вещество присутствует, искажая пространство-время, пути тел в соответствующем трехмерном пространстве искривляются в смысле, который в Ньютоновой теории объяснялся силой притяжения. Когда пространство-время искривлено, пути объектов изгибаются, будто какая-то сила воздействует на них.

Ньютона для среды в нашей Солнечной системе со слабым тяготением — но не совсем. Фактически, если бы общая относительность не принималась во внимание спутниковой навигационной системой GPS, ошибок глобального позиционирования накапливалось бы около десяти километров каждый день! Так или иначе, подлинное значение общей относительности не в применении её в устройствах, которые укажут вам путь до нового ресторана, но скорее в том, что это совершенно новая модель Вселенной, предсказывающая новые явления, такие как гравитационные волны и чёрные дыры. И таким образом общая относительность превратила физику в геометрию. Современные технологии достаточно чувствительны, чтобы позволить нам выполнять множество чувствительных проверок общей относительности, и она выдерживает их все без исключения.

Хотя обе радикально изменили физику, теория электромагнетизма Максвелла и теория гравитации - общей относительности Эйнштейна — обе, подобно собственной физике Ньютона, являются классическими теориями. Значит они - модели, в которых Вселенная имеет единственную историю. Как мы видели в последней главе, на атомных и субатомных уровнях эти модели не согласуются с наблюдениями. Вместо этого мы должны использовать квантовые теории, в которых у Вселенной может быть любая возможная история, каждая со своей собственной амплитудой интенсивности или вероятности. Для практических вычислений, касающихся будничного мира, мы можем продолжать использовать классические теории, но если мы хотим понять поведение атомов и молекул, мы нуждаемся в квантовой версии теории электромагнетизма Максвелла; и если мы хотим понять раннюю Вселенную, когда вся материя и энергия во Вселенной были сжаты в маленький объем, у нас должна быть квантовая версия общей теории относительности. Мы нуждаемся в таких теориях также потому, что, если мы стремимся к пониманию принципов природы, было бы нелогично, если бы некоторые из законов были квантовыми, в то время как другие - классическими. Поэтому мы должны найти квантовые версии всех законов природы. Такие теории называют теориями квантового поля.

Известные силы природы могут быть разделены на четыре класса:

  1. Гравитация. Это самая слабая из четырех сил, но она - сила дальнего действия и воздействует на все во Вселенной в виде притяжения. Это означает, что для больших тел все гравитационные силы складываются и могут доминировать над всеми другими силами.

  1. Электромагнетизм. Это также сила дальнего действия и намного более сильная, чем гравитация, но она действует только на электрически заряженные частицы, отталкивая заряды одинаковых знаков и притягивая заряды противоположных знаков. Это означает, что электрические силы в больших телах уравновешивают друг друга, но в масштабах атомов и молекул они преобладают. Электромагнитные силы ответственны за всю химию и биологию.

  2. Слабое ядерное взаимодействие. Это сила является причиной радиоактивности и играет жизненно важную роль в формировании элементов в звездах и ранней Вселенной. Мы, однако, не сталкиваемся с этой силой в нашей повседневной жизни.

  3. Сильное ядерное взаимодействие. Эта сила удерживает вместе протоны и нейтроны в ядре атома. Она также удерживает от распада сами протоны и нейтроны, что необходимо, потому что они сделаны из еще более крошечных частиц, кварков, которые мы упоминали в Главе 3. Сильное взаимодействие - источник солнечной и ядерной энергии, но, как и со слабым взаимодействием, мы с ним напрямую не контактируем.

Первая сила, для которой была создана квантовая версия, была электромагнетизмом. Квантовая теория электромагнитного поля, названная квантовым электромагнетизмом или для краткости QED, была разработана в 1940-ых Ричардом Фейнманом и другими, и стала моделью для всех квантовых теорий поля. Как мы сказали, согласно классическим теориям, силы переносятся полями. Но в квантовых теориях поля силовые поля описываются как составленные из различных элементарных частиц, названных бозонами, частицами, переносящими силу, которые летают туда-сюда между частицами материи, передавая силы. Частицы материи называют фермионами. Электроны и кварки - примеры фермионов. Фотон, или частица света - пример бозона. Это бозон, передающий электромагнитную силу. Происходит так, что частица материи, такая как электрон, испускает бозон, или частицу силы, и отскакивает от нее, почти так же, как орудие откатывается после выстрела пушечным ядром. Частица силы затем сталкивается с другой частицей материи и поглощается, меняя движение этой частицы. Согласно QED, все взаимодействия между заряженными частицами - частицами, чувствительными к электромагнитной силе - описываются в терминах обмена фотонами.

Предсказания QED были проверены и объявленными соответствующими

экспериментальным результатам с большой точностью. Но выполнение математических расчетов, требуемых QED, может быть затруднительным. Проблема, как будет видно ниже, в том, что когда Вы добавляете к вышеупомянутому механизму обмена частицами квантовое условие, чтобы каждая включала все истории, в результате которых может произойти взаимодействие — например, все способы, которыми частицы могут обмениваться силами — математика становится сложной. К счастью, наряду с изобретением понятия альтернативных историй — способа представить себе квантовые теории, описанные в последней главе - Фейнман также разработал искусный графический метод составления различных историй, метод, который сегодня применяется не только к QED, но и ко всем квантовым теориям поля.

Графический метод Фейнмана обеспечивает способ наглядно представить каждый компонент в сумме по историям. Эти рисунки, названные диаграммами Фейнмана, являются одними из самых важных инструментов современной физики. В QED сумма по всем возможным историям может быть представлена в виде суммы по диаграммам Фейнмана, как те, что ниже, представляющим некоторые из способов, которыми два электрона могут разлететься друг от друга в результате действия электромагнитной силы. В этих диаграммах сплошные линии представляют электроны, а волнистые - фотоны. Время подразумевается текущим снизу вверх и проставлено на соединениях линий, соответствующих фотонам, испускаемым или поглощаемым электроном. Диаграмма (A) представляет два электрона, приближающиеся друг к другу, обменивающиеся фотоном, и затем продолжающие свой путь. Это самый простой способ, которым два электрона могут электромагнитно взаимодействовать, но мы должны рассмотреть все возможные истории. Следовательно, мы должны также учитывать диаграммы, подобные (B). Эта диаграмма также изображает две входящие линии — сближающиеся электроны — и две исходящие линии — разлетающиеся электроны — но в этой диаграмме электроны обмениваются двумя фотонами, прежде чем разлететься. Изображенные диаграммы - лишь некоторые из вариантов; фактически существует бесконечное число диаграмм, которые должны быть вычислены математически.

Диаграммы Фейнмана. Эти диаграммы относятся к процессу, в котором два электрона рассеиваются друг от друга.

Диаграммы Фейнмана не только аккуратный способ изобразить и классифицировать, как могут происходить взаимодействия. Диаграммам Фейнмана сопутствуют правила, которые позволяют выводить, исходя из линий и вершин на каждой диаграмме, математические выражения. Вероятность, скажем, что входящие электроны с некоторым заданным начальным импульсом окажутся разлетевшимися с некоторым определенным конечным импульсом, при этом получена суммированием вкладов от каждой диаграммы Фейнмана. Это может потребовать немалого труда, поскольку, как мы сказали, их существует бесконечное число. Кроме того, хотя входящим и исходящим электронам присваивают определенную энергию и импульс, частицы в замкнутых контурах внутри диаграммы могут иметь любую энергию и импульс. Это важно, потому что при составлении суммы Фейнмана нужно суммировать не только по всем диаграммам, но также и по всем значениям энергии и импульса.

Диаграммы Фейнмана предоставляют физикам огромную помощь в визуализации и вычислении вероятностей процессов, описанных QED. Но они не излечивают одну важную болезнь, перенесенную теорией. Когда Вы складываете вклады от бесконечного числа различных историй, Вы получаете бесконечный результат. (Если последующие члены в бесконечной сумме уменьшаются достаточно быстро, сумма может быть конечной, но этого, к сожалению, здесь не происходит). В частности, когда диаграммы Фейнмана сложены, ответ, кажется, предполагает, что у электрона бесконечная масса и заряд. Это абсурд, потому что мы можем измерить массу и заряд, и они конечны. Чтобы справиться с этими бесконечностями была разработана процедура, названная перенормировкой.

Процесс перенормировки подразумевает вычитание количества, оцениваемого как бесконечное и отрицательное, таким способом, что при тщательном математическом расчете сумма отрицательных и положительных бесконечных величин, возникающих в теории, сводится почти на нет, оставляя маленький остаток, конечное наблюдаемое значение массы и заряда. Эти манипуляции могли бы походить на такого рода вещи, из-за которых Вы бы провалились на школьном математическом экзамене, и действительно, перенормировка, как и ее звучание, сомнительна в математическом плане. Один из результатов - что значения, полученные этим методом для массы и заряда электрона, могут быть любым конечным числом. Преимущество этого в том, что физики могут выбрать отрицательные бесконечности таким образом, чтобы получить правильный ответ, но неудобство - что масса и заряд электрона, поэтому не могут быть предсказаны на основании этой теории. Но как только мы установили массу и заряд электрона этим методом, мы можем использовать QED, чтобы сделать множество других очень точных предсказаний, которые весьма точно согласуются с наблюдением, таким образом, перенормировка - один из существенных компонентов QED. Первым триумфом QED, например, было правильное предсказание так называемого Лэмбовского сдвига, небольшого изменения энергии одного из состояний атома водорода, обнаруженного в 1947 году.



Диаграммы Фейнмана. Ричард Фейнман водил знаменитый фургончик, разрисованный диаграммами. Эта артистичная демонстрация сделала диаграммы широко обсуждаемыми. Хотя Фейнман умер в 1988, фургончик всё еще хранится около Калтека в Южной Калифорнии.
Успех перенормировки в QED поощряет попытки создать квантовые теории поля, описывающие другие три силы природы. Но деление сил природы на четыре класса, вероятно, искусственно и является следствием нашего недостаточного понимания. Поэтому люди пытаются разработать теорию всего, что объединит эти четыре класса в один закон, совместимый с квантовой теорией. Это было бы священным Граалем физики.

Один знак того, что объединение - правильный подход, получен из теории слабой силы. Квантовая теория поля, описывающая слабую силу саму по себе, не может быть перенормирована; то есть в ней есть бесконечности, которые не сокращаются вычитанием конечного ряда величин, таких как масса и заряд. Однако в 1967 году Абдус Салам и Стивен Вейнберг, независимо друг от друга, предложили теорию, в которой электромагнетизм был объединен со слабой силой, и обнаружили, что объединение устраняло проклятие бесконечностей. Объединенную силу называют электрослабым взаимодействием. Эта теория могла быть перенормирована, и предсказала три новых частицы, названные W+, W- и Z°. Доказательство в пользу Z° было обнаружено в CERN в Женеве в 1973 году. Салам и Вейнберг были награждены Нобелевской премией в 1979 году, хотя W и Z частицы непосредственно не наблюдались до 1983 года.

Сильное взаимодействие может быть перенормировано само по себе в теории, названной QCD или квантовая хромодинамика. Согласно QCD, протон, нейтрон, и многие другие элементарные частицы материи образованы из кварков, у которых есть замечательное свойство, которое физики называют цветом (отсюда и термин "хромодинамика", хотя цвета кварка - лишь полезные обозначения - нет никакой связи с видимым цветом). Кварки получаются трех так называемых цветов, красные, зеленые и синие. Кроме того, у каждого кварка есть партнер- античастица, и цвета этих частиц называют антикрасным, антизеленым и антисиним. Идея в том, что только комбинации, а не чистые цвета, могут существовать в виде свободных частиц. Существует два способа достигнуть таких комбинаций кварков смешанного цвета. Цвет и его антицвет сокращают, таким образом, кварк и антикварк формируют бесцветную пару, нестабильную частицу, названную мезоном. Кроме того, когда все три цвета (или антицвета) смешиваются, в результате не получается чистого цвета. Три кварка, по одному каждого цвета, образуют стабильные частицы, названные барионами, примеры которых - протоны и нейтроны (а три антикварка образуют античастицы барионов). Протоны и нейтроны являются барионами, которые составляют ядра атомов и служат основой всей нормальной материи во Вселенной.

У QCD также есть свойство, названное асимптотической свободой, которое мы упомянули, не называя, в Главе 3. Асимптотическая свобода означает, что сильные взаимодействия между кварками малы, когда кварки находятся близко друг от друга, но увеличиваются, если они удаляются, почти как если бы к ним присоединили резинки. Асимптотическая свобода объясняет, почему мы не видим отдельных кварков в природе и были неспособны создать их в лаборатории. Однако даже при том, что мы не можем наблюдать отдельных кварков, мы принимаем модель, потому что она очень хорошо работает при объяснении поведения протонов, нейтронов и других частиц материи.

После объединения слабых и электромагнитных взаимодействий в 1970-ых физики искали способ ввести сильное взаимодействие в эту теорию. Существует множество так называемых великих объединенных теорий или ОИТов, которые объединяют сильные взаимодействия со слабыми и с электромагнетизмом, но они главным образом предсказывают, что протоны, вещество, из которого мы сделаны, должны распадаться в среднем приблизительно через 10Л32 лет. Это очень продолжительное время жизни, учитывая, что

Вселенной лишь около 10Л10 лет. Но в квантовой физике, когда мы говорим что среднее время жизни частицы 10Л32 лет, мы не подразумеваем, что большинство частиц живут приблизительно 10Л32 лет, некоторые немного больше, а некоторые немного меньше. Вместо этого мы подразумеваем, что каждый год у частицы есть 1 из 10Л32 шансов распасться. В результате, если Вы следите за резервуаром, содержащим 10Л32 протонов, в течение всего лишь нескольких лет, Вы должны наблюдать несколько протонных распадов. Не слишком трудно построить такой резервуар, поскольку 10Л32 протонов содержится всего лишь в тысяче тонн воды. Ученые провели такие эксперименты. Оказывается, обнаружение распадов и дифференциация их от других событий, вызванных космическими лучами, которые непрерывно льются на нас из космоса, является не столь простым делом. Чтобы минимизировать шум, эксперименты проводились в местах глубоко под Землей, таких как шахта компаний Kamioka Mining и Smelting в Японии глубиной 3 281 фута, в некоторой степени защищенная от космических лучей. В результате наблюдений в 2009 году исследователи заключили, что если протонный распад вообще существует, время жизни протона больше, чем 10Л34 лет, что является плохой новостью для великих объединительных теорий.






Так как ранее наблюдаемое свидетельство также было не способно поддержать GUTbi, большинство физиков приняло специальную теорию, названную стандартной моделью, которая включает объединительную теорию электрослабых взаимодействий и QCD как теорию сильных взаимодействий. Но в стандартной модели электрослабые и сильные взаимодействия действуют отдельно и на самом деле не объединены. Стандартная модель очень эффективна и согласуется со всеми наблюдамыми на сегодняшний день свидетельствами, но она, в конечном счете, неудовлетворительна, потому что кроме того, что она не объединяет электрослабые и сильные взаимодействия, она не включает гравитацию.

Может оказаться трудным объединить сильные взаимодействия с электромагнитными и слабыми взаимодействиями, но эти проблемы - ничто по сравнению с проблемой слияния гравитации с тремя другими или даже создания отдельной квантовой теории гравитации. Причина, по которой оказалось настолько трудным создать квантовую теорию гравитации, имеет отношение к принципу неопределенности Гейзенберга, который мы обсуждали в Главе 4. Это не очевидно, но оказывается, что с учетом этого принципа величина поля и скорость его изменения играют такую же роль, как положение и скорость частицы. Таким образом, чем точнее определено одно, тем менее точно может быть определено другое. Важное следствие этого в том, что нет такой вещи как пустота. Это потому что пустота означает, что и величина поля и скорость его изменения строго нулевые. (Если бы скорость изменения поля была не нулевой, то место не оставалось бы пустым). Так как принцип неопределенности не позволяет величине поля и скорости изменения быть точными, космос вовсе не пуст. У него может быть состояние минимума энергии, названное вакуумом, но это состояние подвержено так называемому квантовому дрожанию или флуктуациям вакуума - частицы и поля дрожат туда-сюда относительно существования.







Можно представить флуктуации вакуума как пару частиц, которые одновременно появляются в какой-то момент, расходятся, а затем объединяются и аннигилируют друг друга. Выраженные диаграммами Фейнмана, они представляют собой замкнутые контуры. Эти частицы называют виртуальными частицами. В отличие от реальных, виртуальные частицы не могут наблюдаться непосредственно детектором частиц. Однако их косвенные эффекты, такие как небольшие изменения энергии электронных орбит, могут быть измерены и согласуются с теоретическими предсказаниями до замечательной степени точности. Проблема состоит в том, что виртуальные частицы имеют энергию, и поскольку существует бесконечное число виртуальных пар, у них было бы бесконечное количество энергии. Согласно общей относительности, это означает, что они искривили бы Вселенную к бесконечно малый размер, чего очевидно не происходит!

Это проклятие бесконечности похоже на проблему, которая возникает в теориях сильных, слабых, и электромагнитных взаимодействий, кроме тех случаев, когда перенормировка устраняет бесконечности. Но замкнутые контуры в диаграммах Фейнмана для гравитации создают бесконечности, которые не могут быть сокращены перенормировкой, потому что в общей относительности недостаточно перенормируемых параметров (таких как величина массы и заряда), чтобы устранить все квантовые бесконечности из теории. Мы поэтому остаемся с теорией гравитации, предсказывающей, что определенные величины, такие как искривление пространства-времени, бесконечны, что не служит хорошим путем, ведущим к пригодной для жизни Вселенной. Это означает, что единственная возможность получения разумной теории было бы как-нибудь сократить все бесконечности, не прибегая к перенормировке.

В 1976 году возможное решение этой проблемы было найдено. Его называют супергравитацией. Приставка "супер" добавлялась не потому, что физики думали, что было "супер", что эта теория квантовой гравитации могла на самом деле работать. Вместо этого "супер" имеет в виду своего рода симметрию, которой обладает теория, названную суперсимметрией.

В физике система, как говорят, обладает симметрией, если ее свойства не зависят от определенных преобразований, таких как вращение ее в пространстве или получение ее зеркального отображения. Например, если Вы переворачиваете пончик, он выглядит в точности одинаково (если он без шоколадной посыпки, в этом случае лучше его просто съесть). Суперсимметрия - более тонкий вид симметрии, которая не может быть связана с преобразованием обычного пространства. Одно из важных значений суперсимметрии - что частицы силы и частицы материи, а следовательно сила и материя, действительно лишь два аспекта одного и того же явления. В сущности, это означает, что у каждой частицы материи, такой как кварк, должна быть частица-партнер, являющаяся частицей силы, и у каждой частицы силы, такой как фотон, должна быть частица-партнер, являющаяся частицей материи. У этой теории есть потенциал, чтобы решить проблему бесконечностей, потому что оказывается, что бесконечности от замкнутых контуров частиц силы положительны, в то время как бесконечности от замкнутых контуров частиц материи отрицательны, таким образом, бесконечности в этой теории, обусловленные частицами силы и их партнерами, частицами материи, имеют свойство сокращаться. К сожалению, вычисления, необходимые чтобы узнать, были ли бы какие-нибудь бесконечности, оставшиеся несокращенными в супергравитации, были такими длинными и сложными, и имели такой потенциал для ошибки, что никто не был готов за них браться. Большинство физиков, тем не менее, полагало, что супергравитация была, вероятно, правильным ответом на проблему объединения гравитации с другими силами.

Вы могли бы подумать, что справедливость суперсимметрии будет легко проверить - просто исследуйте свойства существующих частиц и увидите, разделяются ли они на пары. Никакие такие частицы- партнеры не наблюдались. Но различные вычисления, которые выполнили физики, указывают, что частицы- партнеры, соответствующие частицам, которые мы наблюдаем, должны быть в тысячу раз более массивными, чем протон, если не еще более тяжелыми. Они слишком тяжелые для таких частиц, чтобы быть замеченными в любых экспериментах, проводившихся до настоящего времени, но есть надежда, что такие частицы будут, в конечном счете, созданы в Большом Адронном Коллайдере в Женеве.

Идея суперсимметрии была ключом к созданию супергравитации, но понятие фактически возникло несколькими годами ранее у теоретиков, изучающих неоперившуюся теорию, названную теорией струн. Согласно теории струн, частицы - это не точки, а паттерны колебаний, у которых есть длина, но нет высоты или ширины - подобно бесконечно тонким струнам. Теории струн также приводят к бесконечностям, но полагают, что в правильной версии все они сократятся. У них есть другая необычная особенность. Они непротиворечивы, только если пространство-временя имеет десять измерений вместо обычных четырех. Десять измерений могли бы казаться захватывающими, но они вызвали бы реальные проблемы, если бы Вы забыли, где оставили свой автомобиль. Если они существуют, почему мы не замечаем эти лишние измерения? Согласно теории струн, они скручены в пространство очень небольшого размера. Чтобы изобразить это, представьте себе двумерный самолет. Мы называем самолет двумерным, потому что нужно два числа (например, горизонтальная и вертикальная координаты), чтобы определить местоположение любой точки на нем. Другое двумерное пространство - поверхность соломинки. Чтобы определить местоположение точки в этом пространстве, нужно знать, где точка вдоль соломинки, а также какова ее круговая координата. Но если бы соломинка была очень тонкой, Вы бы отлично приблизительно установили расположение, используя только координату, проходящую вдоль соломинки, поэтому Вы могли бы не учитывать круговое измерение. И если бы соломинка была "одной миллион- -миллион- миллион-миллион-миллионной" дюйма в диаметре, то Вы не заметили бы кругового измерения вообще. Это - картина, благодаря которой теоретики струн имеют дополнительные измерения — они сильно изогнуты или закручены, в масштабе настолько маленьком, что мы их не видим. В теории струн дополнительные измерения свернуты в то, что называют внутренним пространством, в противоположность трехмерному пространству, которое мы изведываем в повседневной жизни. Как мы увидим, эти внутренние состояния - не просто скрытые, смятые измерения — у них есть важное физическое значение.

В дополнение к вопросу об измерениях, теория струн пострадала от другой нелепой проблемы. Казалось, было по крайней мере пять различных теорий и миллионы способов, которыми могли быть свернуты дополнительные измерения, что было настоящей помехой для перспектив тех, кто отстаивал, что теория струн была уникальной теорией всего. Затем, приблизительно в 1994 году, люди начали обнаруживать дуальности — что различные теории струн и различные способы свернуть дополнительные измерения являются просто различными способами описать одни и те же явления в четырех измерениях. Кроме того, они обнаружили, что супергравитация также связана таким способом с другими теориями. Теоретики струн теперь убеждены, что пять различных теорий струн и супергравитация - только различные приближения к более фундаментальной теории, каждая справедлива в различных ситуациях.

Эту более фундаментальную теорию называют М- теорией, как мы упоминали ранее. Никто, похоже, не знает, что означает "М": может быть "материнская", "магическая" или "мистическая". Похоже, все три. Люди все еще пытаются разгадать природу М-теории, но, может быть, это невозможно. Может статься, что традиционное ожидание физиков единственной теории природы необоснованно, и единственной формулировки не существует. Быть может, чтобы описать Вселенную, нам придётся в разных ситуациях применять различные теории. У каждой теории может быть своя собственная версия действительности, но, согласно модельно-ориентированному реализму, это приемлемо, поскольку теории согласуются в своих предсказаниях всякий раз, когда они частично совпадают, то есть всякий раз, когда они могут обе быть применены.

Вне зависимости от того, существует ли М-теория как единая формула или представляет собой лишь систему, мы знаем о некоторых её свойствах. Во- первых, в М-теории одиннадцать пространственновременных измерений, вместо десяти. Теоретики струн давно подозревали, что предсказание о десяти измерениях придётся подкорректировать и недавние исследования показали, что действительно - одно измерение было пропущено. Также, в М-теории могут быть не только вибрирующие струны, но ещё и точки- частицы, двумерные мембраны, трёхмерные пузыри и другие объекты, более сложные в изображении и занимающие даже больше измерений пространства, вплоть до девяти. Такие объекты называют p-бранами (где p изменяется от 0 до 9).

Соломки и Линии. Соломка является двумерной, но если её диаметр мал, или мы смотрим на неё издалека, она кажется одномерной, как линия.

А что на счет гигантского количества путей свертывания крошечных измерений? В М-теории такие дополнительные измерения не могут быть свернуты как угодно. Математический аппарат теории ограничивает способы, которыми могут быть свернуты измерения внутреннего пространства. Конкретная форма внутренних измерений определяет и значения физических констант, таких как заряд электрона, и природу взаимодействий между элементарными частицами. Другими словами - она определяет действительные законы природы. Мы говорим "действительные" потому, что мы имеем в виду законы, которые мы наблюдаем в нашей Вселенной - законы четырех сил и параметров, таких как масса и заряд, характеризующих элементарные частицы. Но более фундаментальные законы - законы М-теории.

Законы М-теории поэтому учитывают различные вселенные с различными наблюдаемыми законами, в зависимости от того, как закручено внутреннее пространство. У М-теории есть решения, которые учитывают многие различные внутренние пространства, возможно, целых 10Л500, что означает, что она допускает 10Л500 различных вселенных, каждую со своими собственными законами. Чтобы понять, насколько это много, подумайте вот о чем. Если бы некое существо могло анализировать законы, предсказанные для каждой из тех вселенных, всего лишь за одну миллисекунду, и начало бы работать над ними вслед за Большим Взрывом, в настоящее время это существо рассмотрело бы лишь 10Л20 из них. И это без перерывов на кофе.

Столетиями ранее, Ньютон доказал, что математические уравнения могут предоставить поразительно точные описания взаимодействий объектов, как на Земле, так и в небе. Учёных привели к вере в то, что будущее всей Вселенной откроется их взору, лишь только мы узнаем правильную теорию и будем иметь достаточно компьютерных мощностей. Потом пришла квантовая неопределённость, искривлённое пространство, кварки, струны с лишними измерениями, и общее количество вселенных из них - 10Л500, каждая со своими законами и лишь одна из которых соотносится со Вселенной, которая известна нам. От исконной надежды физиков - выработать единую теорию, объясняющую действительные законы нашей Вселенной как уникальную вероятность последствия нескольких простых допущений - следует отказаться. Что же это нам даёт? Если М-теория допускает 10Л500 различных случаев действительных законов, как же мы оказались именно в этой Вселенной, с законами действительными для нас? И как насчёт тех, других возможных миров?

6

ВЫБИРАЯ НАШУ ВСЕЛЕННУЮ

CОГЛАСНО ВЕРОВАНИЯМ БАШОНГО, племени из Центральной Африки, вначале была только тьма, вода, и великий Бог Бумба. Однажды Бумбу, мучающегося от желудочных колик, стошнило Солнцем. Спустя какое-то время Солнце испарило часть воды, образовав Землю. Но боль Бумбы не прекращалась, а с ней и тошнота. Её результатом стала Луна, звёзды и затем некоторые животные: леопард, крокодил, черепаха и, наконец, человек. Индейцы майя, населявшие Мексику и Центральную Америку похоже описывают время до творения, когда существовали лишь море, небо и Творец. В легендах майя Творец, будучи несчастлив от того, что его никто не славил, создал Землю, горы, деревья и большинство животных. Однако животные не могли говорить, и он решил создать людей. Поначалу он сделал их из грязи и земли, но они были способны лишь нести вздор. Он дал им исчезнуть и попробовал снова, в этот раз вырезав людей из дерева. Ну и тупыми же они оказались. Он решил уничтожить их, но они сбежали в лес, претерпев на этом пути травмы, слегка изменившие их, создав то, что нам сегодня известно как обезьяны. После этого провала Творец, наконец, нашёл работающую формулу и соорудил первых людей из белой и жёлтой кукурузы. Сегодня мы делаем этанол из зерна, но до сих пор не смогли превзойти Создателя людей, которые пьют его.

Мифы о создании, подобные этим, пытаются ответить на вопросы, к которым мы обращаемся в этой книге: Почему существует Вселенная, почему она именно такая? Наша способность задаваться такими вопросами столетиями росла и укреплялась, начиная с древних греков, но наиболее глубоко - за прошлое столетие. Проведя подготовительную работу в предыдущих главах, мы теперь готовы предложить возможный ответ на эти вопросы.

Одна идея, которая, возможно, была очевидна даже в прежние времена, состояла в том, что или Вселенная была сравнительно недавно создана, или люди, существуют только небольшой отрезок космической истории. Потому что человеческий род так быстро развивает знания и технологии, что, если бы люди существовали в течение миллионов лет, человеческий род намного бы продвинулся бы в своем совершенстве.

Согласно Ветхому Завету, Бог создал Адама и Еву всего за шесть дней. Епископ Асшер, примас всей Ирландии с 1625 до 1656, указал происхождение мира еще более точно, в девять утра 27 октября, 4004 до н.э. Мы имеем другую точку зрения: что человечество возникло сравнительно недавно, а Вселенная существует много дольше - около 13.7 миллиардов лет.

Первое фактическое научное доказательство, что у Вселенной было начало, появилось в 1920-ых. Как мы сказали в Главе 3, было время, когда большинство ученых верило в статическую Вселенную, которая всегда существовала. Доказательства, правда, были косвенными, основанными на наблюдениях Эдвина Хаббла, сделанных с помощью 100-дюймового телескопа на горе Уилсона, на холмах выше Пасадены, Калифорния. Анализируя спектр света, который излучают галактики, Хаббл решил, что почти все галактики отдаляются от нас, и чем дальше они, тем быстрее они удаляются. В 1929 он открыл закон, связывающий падение интенсивности излучения галактик с их расстоянием от нас, и пришел к заключению, что Вселенная расширяется. Если это верно, то Вселенная, должно быть, была меньше в прошлом. Фактически, если мы экстраполируем к отдаленному прошлому, вся материя и энергия во Вселенной были бы сконцентрированы в очень крошечной области невообразимой плотности и температуры, и если бы мы вернулись достаточно далеко, когда все это началось, это событие, мы теперь называем Большим Взрывом.

Идея, что Вселенная расширяется, заключает в себе некоторую тонкость. Например, мы не подразумеваем, что Вселенная расширяется таким образом, что, скажем, можно было бы расширить дом, выбивая стену и помещая новую ванную, в том месте, где когда-то возвышался величественный дуб. Вернее сказать, что не пространство расширяет само себя, а то, что увеличивается расстояние между двумя любыми точками Вселенной, которая расширяется. Эта идея появилась в 1930-х среди многочисленных дискуссий, но одним из лучших способов наглядно продемонстрировать это, является метафора, изложенная в 1931 Кембриджским университетским астрономом Артуром Эддингтоном. Эддингтон представил Вселенную как поверхность расширяющегося воздушного шара, и все галактики как точки на его поверхности. Эта картина ясно иллюстрирует, почему далекие галактики разлетаются более быстро, чем соседние. Например, если радиус воздушного шара, удваивался каждый час, то расстояние между любыми двумя галактиками на воздушном шаре также удваивалось бы каждый час. Если бы в некоторое время две галактики были на расстоянии в 1 дюйм, то час спустя они были бы на расстоянии в 2 дюйма, и они, казалось бы, двигались бы друг относительно друга со скоростью 1 дюйма в час. Но если бы они начали на расстоянии в 2 дюйма, то час спустя они были бы отделены на 4 дюйма и, казалось бы, разбегались друг от друга со скоростью 2 дюйма в час. Вот, что обнаружил Хаббл: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас.

Важно понять, что расширение пространства не затрагивает размер материальных объектов, таких как галактики, звезды, яблоки, атомы, или другие объекты, скрепляемые некоторой силой. Например, если бы мы закрепили скопление галактик прочным кольцом на шаре, то это кольцо не расширялось бы, хотя шар продолжал бы расширяться. Это потому, что галактики связаны гравитационными силами, кольцо и галактики в пределах него сохраняли бы их размер и конфигурацию, тогда как шар увеличивался. Это важно, потому что мы можем обнаружить расширение, только если наши измерительные приборы имеют фиксированные размеры. Если бы все свободно расширялось, то мы, наши измерительные линейки, наши лаборатории, и так далее все расширились бы пропорционально, и мы не заметили бы различия.







То, что Вселенная расширяется, было новостью для Эйнштейна. Но возможность, что галактики разлетаются друг от друга, была высказана за несколько лет до статей Хаббла на теоретической почве, являющейся результатом собственных уравнений Эйнштейна. В 1922 году российский физик и математик Александр Фридман исследовал то, что произойдет с моделью Вселенной, основанной на двух предположениях, которые очень упростили математику: он предположил, что, во-первых,

Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях и, во-вторых, из любой точки. Мы знаем, что первое предположение Фридмана не совсем верно — Вселенная, к счастью, не всюду однородна! Скажем, просто взглянув вверх, мы могли бы увидеть Солнце, а могли бы — и Луну. Или даже колонию летучих мышей. Но Вселенная, действительно кажется, примерно одинаковой в каждом направлении, когда рассматривается в масштабе, который намного больше — больше даже чем расстояние между галактиками. Это что-то вроде того, как наблюдать за лесом сверху. Если Вы находитесь достаточно близко, Вы сможете разобрать отдельные листья, или, по крайней мере, деревья, и пространства между ними. Но если Вы будете настолько высоко, что, если Вы протягиваете большой палец, и он покрывает квадратную милю деревьев, то лес, будет казаться однородным оттенком зеленого. Мы сказали бы, что в том масштабе лес однороден.

Основываясь на своих предположениях, Фридман смог обнаружить решение в уравнениях Эйнштейна, при котором Вселенная расширялась, что Хаббл и подтвердил вскоре своими наблюдениями. В частности модель Вселенной Фридмана начинается с нулевого размера и расширяется до тех пор, пока гравитационное притяжение не замедлит расширение, и, в конечном счете, не заставляет ее снова схлопнуться в себя. (Есть, оказывается, два других типа решений уравнений Эйнштейна, которые также удовлетворяют предположениям о модели Фридмана, одно соответствует Вселенной, в которой расширение продолжается всегда, хотя и действительно замедляется немного, и другой Вселенной, в которой темп расширения замедляется к нолю, но никогда не достигает его). Фридман умер спустя несколько лет после своей этой работы, и его идеи оставались в значительной степени неизвестными, пока Хаббл их не подтвердил. Но в 1927 преподаватель физики и римско-католический священник по имени Джорджес Лемэйтр предложил подобную идею. Если Вы прослеживаете историю Вселенной назад в прошлое, она становится все более крошечной, пока Вы не наталкиваетесь на момент создания, который мы теперь называем Большим Взрывом.

Не всем понравилась картина Большого Взрыва. Фактически, термин "Большой Взрыв", который он назвал с некоторой иронией, был введен в 1949 Кембриджским астрофизиком Фредом Хойлом, который верил во Вселенную, которая расширяется всегда. Непосредственные наблюдения долго не могли подтвердить эту идею, пока в 1965 году не было открыто, что есть слабый фон сверхчастотных волн всюду во Вселенной. Это космическое микроволновое фоновое излучение (или реликтовое излучение), или

CMBR, является тем же самым как и Вашей микроволновой печи, но намного менее сильным. Вы можете наблюдать реликтовое излучение самостоятельно, настраивая Ваше телевидение на неиспользованный канал — несколько процентов снега, который Вы видите на экране, будет вызван этим. Радиация была обнаружена случайно двумя учеными Bell Labs, пытающимися устранить такое помехи в их микроволновой антенне. Сначала они думали, что помехи могли произойти из-за голубей, усаживающихся на их антенну, но оказалось, что проблема имела очень интересную природу - реликтовое излучение - радиация, перенесенная от очень горячей и плотной ранней Вселенной, которая существовала вскоре после Большого Взрыва. Поскольку Вселенная расширялась, она охлаждалась, пока радиация не стала только слабым остатком, который мы теперь наблюдаем. В настоящее время это реликтовое излучение могло бы нагреть Вашу еду до приблизительно -270 градусов по Цельсию, т. е только на 3 градуса выше абсолютного ноля, что не очень полезно для разогрева попкорна.

Астрономы также нашли другие отпечатки, подтверждающие картину Большого Взрыва горячей, крошечной ранней Вселенной. Например, в течение первой минуты или около того, Вселенная была более горячей, чем центр типичной звезды. Во время того периода вся Вселенная действовала как реактор ядерного синтеза. Реакции прекратились бы, когда Вселенная расширится и достаточно охладится, но теория предсказывает, что тогда Вселенную должна была бы состоять, главным образом, из водорода, но также приблизительно с 23% гелия, с незначительным количеством лития (все более тяжелые элементы возникли позже в звездах). Расчеты находится в хорошем соответствии с количеством гелия, водорода, и лития, который мы наблюдаем.

Наличие большого количества гелия и реликтовое излучение обеспечили убедительное доказательство в пользу картины Большого Взрыва очень ранней Вселенной, но хотя можно думать о картине Большого Взрыва как о действительном описании ранних времен, неправильно понимать Большой Взрыв буквально, то есть считать теорию Эйнштейна как описание истинной картины происхождения Вселенной. Это потому что Общая теория относительности предсказывает, что должна была быть точка во времени, в которой температура, плотность, и искривление Вселенной были бесконечны, эта ситуацию математики называют сингулярностью. Для физиков это означает, что теория Эйнштейна прерывается в той точке и поэтому не может использоваться, чтобы предсказать, как Вселенная началась, только как она развивалась позже. Так как, хотя мы можем использовать уравнения Общей теории относительности и наши наблюдения за Вселенной, чтобы узнать о ней в очень молодом возрасте, не корректно полностью переносить картину Большого Взрыва назад к началу.

Мы скоро доберемся до проблемы происхождения Вселенной, но сначала нескольких слов о первой фазе расширения. Физики называют это раздуванием или инфляцией. Если бы Вы жили в Зимбабве, где инфляция валюты недавно превысила 200 000 000 процентов, термин, возможно, не показался вам очень уж надуманным. Но согласно даже скромным подсчетам, во время этой космологической инфляции, Вселенная, расширилась с коэффициентом 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 в 0.00000000000000000000000000000000001 секунду. Это было бы, как будто монета диаметром в 1 сантиметр внезапно увеличилась в десяти миллионов раз до размеров Млечного пути. Это, может показаться, нарушает теорию относительности, которая указывает, что ничто не может перемещаться быстрее чем свет, но это ограничение скорости не относится к расширению самого пространства.

Идея, что такой эпизод инфляции, возможно, произошел, была впервые предложена в 1980 году, она основана на размышлениях, которые идут вне Общей теории относительности Эйнштейна и основываются на аспектах квантовой теории. Так как мы не имеем полной квантовой теории гравитации, детали все еще проясняются, и физики не уверены точно, как произошло расширение. Но согласно теории, расширение, вызванное инфляцией, не было бы абсолютно однородно, как предсказано традиционной картиной Большого Взрыва. Эта неравномерность произвела бы крохотные отличия в температуре реликтового излучения в различных направлениях. Эти отличия являются слишком маленькими, чтобы их можно было наблюдать в 1960-ых годах, но они были сначала обнаружены в 1992 спутником НАСА COBE, и позже измерены его преемником, спутником WMAP, запущенным в 2001 году. В результате мы теперь уверены, что инфляция действительно происходила.

Как ни странно, хотя крошечные отличия в реликтовом излучении являются доказательством инфляции, одним из подтверждений инфляции является важная концепция, о том, что существует почти идеальная однородность температуры реликтового излучения. Если Вы нагреете одну область объекта, и затем подождете, то горячая область станет более прохладной, а вся остальная часть объекта - более теплой, пока температура всего объекта не выровняется. Точно так же можно было бы ожидать, что у Вселенной, в конечном счете, будет однородная температура. Но процесс этот занимает определенное время и если предположить, что инфляции не было, и скорость передачи тепла была бы ограничена скоростью света, то времени существования Вселенной просто не хватило бы чтобы уравнять температуры самых удаленных областей. Период очень быстрого расширения (намного быстрее, чем скорость света) устраняет это, потому что, возможно, было достаточно времени для уравнивания, чтобы произойти в чрезвычайно крошечной прединфляционной ранней Вселенной.

Инфляция объясняет взрыв в Большом Взрыве, по крайней мере в том смысле, что расширение, которое она представляет, было намного более значительным, чем расширение, предсказанное традиционной теорией "Большого Взрыва " в теории общей относительности в течение временного интервала, в котором произошла инфляция. Проблема в том, что для того, чтобы наши теоретические модели инфляции работали, начальное состояние Вселенной должно было быть устроено очень специфическим и очень невероятным способом. Таким образом, традиционная теория инфляции решает одни проблемы, но создает другие — потребность в очень специфическом начальном состоянии. Эта проблема нулевого времени устранена в теории создания Вселенной, которую мы собираемся описать.

Так как мы не можем описать создание, используя теорию общей относительности Эйнштейна, и если мы хотим описать происхождение Вселенной, общая теория относительности должна быть заменена более совершенной теорией. И все же необходимо иметь более совершенную теорию, ведь даже если бы общая теория относительности не потерпела неудачу, потому что она не принимает во внимание некоторые вопросы, которыми занимается квантовая теория. Мы упоминали в Главе 4, что для большинства практических вопросов квантовая теория не подходит для исследования крупномасштабных структур Вселенной, потому что квантовая теория применяется для описания природы на микроскопическом уровне. Но если Вы рассматриваете достаточно далекое время, когда Вселенная была столь же маленькой, как размер Планка, одна миллиард-триллион-триллионная часть сантиметра, который является масштабом, в котором действительно должна быть принята во внимание квантовая теория. Так, хотя у нас еще нет полной квантовой теории гравитации, мы действительно знаем, что происхождение Вселенной было квантовым случаем. И в результате, как мы объединили квантовую теорию и общую теорию относительности - по крайней мере условно - чтобы вывести теорию инфляции, то если мы хотим вернуться еще дальше во времени и понять происхождение Вселенной, мы должны объединить то, что мы знаем об общей теории относительности, с квантовой теорией.

Чтобы видеть, как это работает, мы должны понять принцип, что гравитация деформирует пространство и время. Искривление пространства легче визуализировать, чем искривление времени. Представьте, что Вселенная - поверхность плоского бильярдного стола. Поверхность стола - плоское место, по крайней мере в двух измерениях. Если Вы будете катить шар по столу, то он будет двигаться по прямой линии. Но если стол станет деформированным или вдавленным в местах, как на иллюстрации ниже, то шар будет двигаться по кривой.






Легко понять, как бильярдный стол деформирован в этом примере, потому что он изгибается во внешнее третье измерение, которое мы можем видеть. Так как мы не можем вознестись вне нашего собственного пространства-времени, чтобы рассмотреть его искривление, пространственно-временное искривление в нашей Вселенной более сложно представить. Но искривление может быть обнаружено, даже если Вы не можете подняться и рассмотреть его с другой перспективы. Это можно обнаружить изнутри самого пространства. Вообразите микромуравья, ограниченного поверхностью стола. Даже без способности подняться над столом, муравей мог бы обнаружить искривление, тщательно фиксируя расстояния. Например, расстояние вокруг круга в плоском месте - всегда немного больше чем в три раза расстояния через его диаметр (фактическое кратное числу - пи). Но если бы муравей перемещался по окружности, охватывающий лунку в столе, изображенном выше, он определил бы, что расстояние по лунке напрямик больше чем вокруг лунки. Фактически, если бы лунка была достаточно глубокой, то муравей определил бы, что расстояние по окружности короче, чем расстояние через лунку. То же самое верно для искривления в нашей Вселенной - оно удлиняет или сокращает расстояние между точками пространства, изменяя его геометрию или форму, и это можно измерить изнутри Вселенной. Деформация отрезков времени или сжатие временных интервалов подобного рода.






Вооруженные этими идеями, давайте возвратимся к проблеме начала Вселенной. Мы можем говорить отдельно о пространстве и времени, которые мы рассматриваем, в ситуациях с низкими скоростями и слабой гравитацией. Вообще, однако, время и пространство могут стать взаимосвязанными, и, таким образом, их растяжение и сжатие также влекут определенного рода взаимодействия. Это взаимодействие важно в ранней Вселенной, и является ключом к пониманию начала времени.

Проблема начала времени немного походит на проблему края мира. Когда люди думали, что мир был плоским, возможно, задавались вопросом, лилось ли море через его край. Это было проверено экспериментально: Любой может пропутешествовать вокруг земли и не упасть с нее. Проблема того, что случается на краю мира, была решена, когда люди поняли, что мир был не плоской пластиной, а кривой поверхностью. Время, однако, казалось, походило на модель железнодорожного полотна. Если оно имело начало, должно быть, был кто-то (то есть, Бог), чтобы организовать движение поездов. Хотя общая теория относительности Эйнштейна объединила время и пространство как пространство-время и определила взаимосвязь между пространством и временем, время все еще отличалось от пространства, и либо имело начало и конец, либо иначе продолжалось всегда. Однако, как только мы добавляем результаты квантовой теории к теории относительности, в крайних случаях искривление может произойти до такой большой степени, что время ведет себя как другое пространственное измерение.

В ранней Вселенной — когда Вселенная была достаточно маленькой, чтобы подчиняться законам и общей теории относительности и квантовой теории - было, фактически, четыре пространственных измерения и ни одного временного. Это означает, что, когда мы говорим о "начале" Вселенной, мы выделяем тонкий аспект, что, поскольку мы рассматриваем очень раннюю Вселенную, время, как мы уже знаем, не существует! Мы должны признать, что наши обычные представления о пространстве и времени не относятся к очень ранней Вселенной. Это вне нашего опыта, но не вне нашего воображения, или нашей математики. Если в ранней Вселенной все четыре измерения ведут себя как пространственные, то как возникло время?

Осознание того, что время может вести себя как другое измерение пространства, означает, что можно избавиться от проблемы времени, имея начало, подобным способом, которым мы избавились от края мира. Представьте, что начало Вселенной походило на Южный полюс земли, с градусами широты, играющими роль времени. При продвижении на север, круги постоянной широты, представляющие размер Вселенной, расширились бы. Вселенная началась бы как точка на Южном полюсе, но Южный полюс очень похож на любую другую точку. Спрашивать, что было перед началом Вселенной, станет бессмысленно, потому что нет ничего к югу от Южного полюса. В этой модели у пространства-времени нет никакой границы — те же самые законы природы выполняются как на Южном полюсе, так в других местах. Другими словами, когда мы объединяем общую теорию относительности с квантовой теорией, вопрос "что происходило до начала Вселенной?" теряет смысл. Эту идею, что события должны были быть закрыты поверхностями без границы, называют неграничным условием.

Долгое время многие, включая Аристотеля, полагали, что Вселенная, должно быть, всегда существовала, чтобы избежать проблемы того, как она возникла. Другие полагали, что Вселенная имела начало, и использовала это как аргумент за существование Бога. Осмысление, что время ведет себя как место, представляет новую альтернативу. Это устраняет старое возражение, что Вселенная имеет начало, но также и означает, что возникновение Вселенной соответствует научным законам, и нет необходимости использовать понятие Бога.

Если начало Вселенной было квантовым событием, оно могло бы быть точно описано совокупностью событий Фейнмана. Применять квантовую теорию ко всей Вселенной, где наблюдатели - часть наблюдаемой системы, является сложным, как бы то ни было. В Главе 4 мы видели, как материальные частицы направлялись в экран с двумя прорезями в нем, что могло быть доказательством принципа интерференции, как и у частиц волны воды. Фейнман показал, что это возникает, потому что у частицы нет однозначно определенных событий. Таким образом, поскольку частица перемещается от своей отправной точки А к некоторой конечной точке B, она не выбирает один определенный путь, а скорее одновременно выбирает каждый возможный путь, соединяющий два пункта. С этой точки зрения, интерференция не удивительна, потому что, например, частица может переместиться через обе прорези в то же самое время и пересечься сама с собой. Применяя к движению частицы, метод Фейнмана говорит нам, что, чтобы вычислить вероятность любой отдельной конечной точки, мы должны рассмотреть все возможные события, которые могли произойти, когда частица следовала из своей отправной точки к той конечной точке. Можно также использовать методы Фейнмана, чтобы вычислить квантовые вероятности для наблюдений за Вселенной. Если они применены к Вселенной в целом, не существует точки A, таким образом, мы складываем все события, которые удовлетворяют неграничному условию и оканчиваются во Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.

В этом представлении Вселенная появилась спонтанно, возникая одним из равновероятных способов. Большинство из них соответствует другим вселенным. В то время как некоторые из тех вселенных подобны нашей, большинство совсем другие. Они не только различны в деталях, таких как, умер ли Элвис действительно молодым или является ли турнепс десертной пищей, а скорее они отличаются даже по их истинным законам природы. Фактически, существует много вселенных со многими различными наборами физических законов. Некоторые люди создают большое таинство из этой идеи, иногда называемой понятием мультивселенная, но они - только различные выражения совокупности событий Фейнмана.

Чтобы изобразить это, давайте изменим аналогию воздушного шара Эддингтона, и вместо этого давайте думать о расширяющейся Вселенной как о поверхности пузыря. Наша картина самопроизвольного квантового создания Вселенной тогда немного походит на формирование пузырей пара в кипящей воде. Много маленьких пузырьков появляется и затем снова исчезают. Они представляют минивселенные, которые расширяются, но затем коллапсируют до микроскопического размера. Они представляют возможные альтернативные вселенные, но они не очень интересны, так как они не существуют достаточно долго, чтобы развились галактики и звезды, чтобы развилась хотя бы одна разумная жизнь. Несколько маленьких пузырей, однако, вырастут достаточно крупными, чтобы можно было избежать повторного коллапса. Они будут продолжать расширяться в размере и формировать пузыри, которые мы можем видеть. Они соответствуют вселенным, которые начинают расширение в размере, другими словами, вселенные находятся в состоянии инфляции.






Как мы говорили, расширение, вызванное инфляцией, не будет полностью однородно. В совокупности событий существует только одно полностью однородное и регулярное событие, и ему выпадет редкая возможность, но многие другие события, которые немного нерегулярны также будут иметь эту возможность с высокими шансами. Вот почему инфляция предсказывает, что ранняя Вселенная, вероятно, слегка неоднородна, в соответствие с небольшими расхождениями в температуре, которое наблюдалось в реликтовом излучении. Удачей для нас является, что ранняя Вселенная была нерегулярной. Почему? Однородность хороша, если вы не хотите отделения сливок от вашего молока, но однородная Вселенная - скучная Вселенная. Неравномерности в ранней Вселенной важны, потому что, если некоторые области имели немногую большую плотность, чем другие, гравитационное притяжение этой большей плотности замедлило бы расширение этого области, относительно его окружения. Так как сила гравитации медленно собирает материю вместе, это может в конечном счете привести к ее коллапсу, с последующим формированием галактик и звезд, которые могут породить планеты и, по меньшей мере в одном случае, людей. Взгляните внимательно на карту микроволнового неба. Это копия всей структуры Вселенной. Мы - продукт квантовых флуктуаций (колебаний) в очень ранней Вселенной. Кто-то религиозный мог бы сказать, что Бог действительно играет в кости.







Эта идея приводит к взгляду на Вселенную, которая совершенно отлична от традиционного представления, и требует, чтобы мы определились, что мы думаем об истории Вселенной. Для того чтобы сделать предсказания в космологии, нам нужно вычислить вероятности различных состояний всей Вселенной в настоящем времени. В физике обычно предполагают некоторое начальное состояние для системы и экстраполируют ее вперед во времени, используя релевантные математические уравнения. Взяв состояние системы в определенное время, стараются вычислить вероятность того, что система будет находиться в некотором отличном состоянии в будущем. Обычным предположением в космологии является то, что Вселенная имеет единственную определенную историю. Можно, используя законы физики, вычислить, как это состояние развивается со временем. В космологии мы называем этот подход "bottom-up" (снизу вверх). Но с тех пор, как мы принимаем в расчет квантовую природу Вселенной, выраженную совокупностью событий Фейнмана, вероятность, что Вселенная находится сейчас в определенном состоянии, увеличивается в соответствие с учетом всех событий, которые удовлетворяют не пограничному условию и конечному состоянию, вызывает сомнение. В космологии, другими словами, нельзя следовать за историей Вселенной снизу вверх, потому что предполагается, что есть единственная развитие событий, с четкой отправной точкой и эволюцией. Вместо этого нужно проследить события с верху вниз, назад от настоящего времени. Некоторые события будут более вероятными, чем другие, и эта совокупность, как правило, будет поглощена единственной историей, которая начинается с создания Вселенной и достигает высшей точки в состоянии рассмотрения. Но будут различные истории для различных возможных состояний Вселенной в настоящее время. Это приводит к радикально отличному представлению космологии, и связи между причиной и следствием. События, которые принадлежат совокупности Фейнмана, не имеют независимого существования, но зависят от того, что измеряется. Мы создаем историю нашим наблюдением, а не историю, создающую нас.

Идея, что у Вселенной нет уникальной независимой от наблюдателя истории, могло, кажется, находиться в противоречии с определенными фактами, которые мы знаем. Могла бы быть одна история, в которой Луна сделана из сыра Рокфора. Но мы заметили, что Луна не сделана из сыра, что является дурными вестями для мышей. Следовательно, истории, в которых Луна сделана из сыра, не соответствуют текущему состоянию нашей Вселенной, хотя они могли бы соответствовать другим. Это могло бы походить на научную фантастику, но это не так. Важным следствием нисходящего подхода является то, что естественные законы природы зависят от истории Вселенной. Многие ученые верят, что существует единая теория, которая объясняет эти законы так же как и физические константы природы, такие как масса электрона или размерность пространства-времени. Но нисходящая космология диктует, что естественные законы природы, различны для различных историй.

Рассмотрите естественную размерность Вселенной. Согласно М-теории, у пространства-времени есть десять пространственных измерений и одно измерение - время. Идея состоит в том, что семь пространственных измерений настолько сильно искривлены, что мы не замечаем их, оставаясь с иллюзией, что все, что существует, является тремя оставшимися масштабными измерениями, с которыми мы знакомы. Один из центральных нерешенных вопросов в М. теории это: Почему в нашей Вселенной, не существует больше масштабных измерений, и почему какие-то измерения свернуты?

Многим людям хотелось бы полагать, что есть некоторый механизм, который заставляет все кроме трех пространственных измерений сворачиваться спонтанно. Альтернативно, возможно в начале все измерения были маленькими, но по некоторой понятной причине расширились три пространственных измерения, а остальные нет. Кажется, однако, что нет никакой динамической причины для Вселенной, чтобы быть четырехмерной. Вместо этого нисходящая космология предсказывает, что число масштабных пространственных измерений не установлено никаким принципом физики. Существует квантовая вероятность для каждого числа масштабных пространственных измерений от ноля до десять. Совокупность Фейнмана допускает все из них для каждой возможной истории Вселенной, но наблюдение, что у нашей Вселенной есть три масштабных пространственных измерения, выбирает подкласс историй, у которых есть свойства, которые можно наблюдать. Другими словами, квантовая вероятность, что Вселенная имеет больше или меньше чем три масштабных пространственных измерений, является нерелевантной, потому что мы уже определили, что мы находимся во Вселенной с тремя масштабными пространственными измерениями. Пока вероятность для трех масштабных пространственных измерений больше ноля, не имеет значения, насколько она мала по сравнению с вероятностью для другого числа измерений. Это похоже на вероятность, что действующий папа римский - китаец. Мы знаем, что он немец, даже при том, что вероятность, что он - китаец, выше, потому больше китайцев, чем немцев.

Точно так же мы знаем, что наша Вселенная проявляет три измерения, и так, даже при том, что другое число измерений может иметь большую вероятность, нам интересна только историями с тремя.

Что относительно свернутых измерений? Вспомните, что в М-теории точная форма остальных свернутых измерений, внутреннее пространство, определяют и значения физических величин, таких как заряд электрона и природу взаимодействия между элементарными частицами, то есть, силы природы. Было бы ясно, если бы М-теория позволила только одно состояние для свернутых измерений, или возможно несколько или все, но одно из которых, возможно, было исключено некоторыми средствами, оставляя нас только с одной возможностью для наблюдаемых законов природы. Вместо этого есть вероятности для, возможно, целых 10 в степени 500 различных внутренних пространств, каждое из которых приводит к различным законам и значениям для физических констант.

Если Вы воссоздаете историю Вселенной снизу вверх, нет никакой причины, что Вселенная должна закончиться с внутренним пространством для взаимодействий частицы, которые мы фактически наблюдаем, стандартная модель (взаимодействие элементарных частицы). Но при нисходящем подходе мы признаем, что вселенные существуют со всеми возможными внутренними пространствами. В некоторых вселенных электроны имеют вес мячей для гольфа и сила гравитации сильнее, чем то магнетизм. У нас применяется стандартная модель, со всеми ее параметрами. Можно рассчитать амплитуду вероятности для внутреннего пространства, которая приводит к стандартной модели исходя из безграничных условий. Как с вероятностью того, что у Вселенной есть три масштабных пространственных измерения, не имеет значения, насколько мала эта амплитуда относительно других возможностей, потому что мы уже заметили, что стандартная модель описывает нашу Вселенную.

Теория, которую мы описываем в этой главе, может быть проверена на практике. В предшествующих примерах мы подчеркнули, что относительные амплитуды вероятности для радикально различных вселенных, таких как те, у которых число масштабных пространственных измерений различно, не имеют значения. Относительные амплитуды вероятности для граничащих (то есть, подобных) вселенных, однако, важны. Безграничные условия подразумевают, что амплитуда вероятности наиболее высока для историй, в которых Вселенная начинается совершенно однородной. Амплитуда уменьшается для вселенных, которые более неравномерны. Это означает, что ранняя Вселенная была бы почти однородной, но с маленькими неравномерностями. Как мы отметили, мы можем наблюдать эти неравномерности в виде маленькие вариаций в микроволнах, исходящих из различных направлений в небе. Как обнаружилось, они полностью согласуются с главными требованиями теории инфляции; однако более точные измерения необходимы, чтобы полностью дифференцировать нисходящую теорию от других, и либо подтвердить ее, либо опровергнуть. Они могут хорошо быть выполнены в будущем с помощью спутников.

Сотни лет назад люди думали, что Земля уникальна и расположена в центре Вселенной. Сегодня мы знаем, что существуют сотни миллиардов звезд в нашей галактике, большой их процент с планетарными системами, и сотни миллиардов галактик. Результаты, описанные в этой главе, указывают, что сама наша Вселенная - также одна из многих, и что ее наблюдаемые законы не определены однозначно. Это должно быть неутешительно для тех, кто надеялся, что окончательная теория, теория всего, предскажет природу повседневной физики. Мы не можем предсказать дискретные особенности, такие как число масштабных пространственных измерений или внутренних пространств, определяющих физические параметры, которые мы наблюдаем (например, массу и заряд электрона и других элементарных частиц).

Скорее мы используем эти цифры, чтобы выбрать, какие истории вносят вклад в сумму Фейнмана.

Мы, кажется, живем в критический момент в истории науки, в котором мы должны изменить свою концепцию задач и того, что делает физическую теорию приемлемой. Похоже, что фундаментальные параметры и даже форма наблюдаемых законов природы не обусловлены логическим или физическим принципом. Параметры могут принимать множество значений, а законы принимать любую форму, которая приводит к самосогласованной математической теории, и они действительно принимают различные значения и различные формы в различных вселенных. Это, вероятно, не удовлетворяет нашему человеческому желанию быть особенным или обнаружить аккуратный пакет, содержащий все законы физики, но это, кажется, действительно особенность природы.

Похоже, есть бескрайний пейзаж возможных вселенных. Однако, как мы увидим в следующей главе, вселенные, в которых может существовать жизнь подобно нашей, редки. Мы живем в той, в которой жизнь возможна, но если бы Вселенная была всего лишь немного отлична, то существа, как мы, не могли бы существовать. Как можно расценивать эту точную настройку? Является ли это свидетельством того, что Вселенная все-таки была спроектирована благосклонным создателем? Или наука предлагает другое объяснение?

7

НЕСОМНЕННОЕ ЧУДО

КИТАЙЦЫ РАССКАЗЫВАЮТ О ВРЕМЕНИ в годы правления династии Ся (2205 - 1782 до РХ), когда на нашем небе произошли внезапные изменения. На небе появилось несколько солнц. Люди на Земле очень страдали из-за жары, поэтому император приказал известному лучнику сбить лишние светила. Лучник был награжден снадобьем, которое делало бы его бессмертным, но его жена украла его. За это преступление ее изгнали на Луну.

Китайцы были правы, считая, что солнечная система с десятью солнцами не подходит для жизни человека. Теперь мы знаем, что, обеспечивая излишним теплом, любая солнечная система с несколькими солнцами вероятно никогда не позволит развиться жизни. Но причина все-таки совсем не так проста, как "обжигающее пекло" из китайской легенды. Фактически, планета может иметь подходящую температуру даже с несколькими солнцами, хотя бы на некоторое время. Но равномерное нагревание в течение продолжительного времени, ситуация, казалось бы, подходящая для жизни, не обещала бы ничего хорошего. Чтобы понять почему, давайте рассмотрим, что произойдет в системе простейшего типа с двумя солнцами, которая называется бинарной системой. Около половины всех звезд на небе входят в такие системы. Но даже простые бинарные системы могут иметь стабильные орбиты только определенного типа. На каждой из этих орбит, вероятно, будет момент, когда на планете будет либо слишком жарко, либо слишком холодно, чтобы поддерживать жизнь. Еще хуже ситуация для скопления большего количества звезд.

Наша солнечная система имеет другую "счастливую" особенность, без которой сложные жизненные формы никогда бы не смогли развиться. Например, законы Ньютона разрешают орбитам планет иметь либо форму окружности, либо эллипса (Эллипсы являются сплющенными окружностями, шире по одной оси и уже по другой). Степень, с которой эллипсы сплющены, называется "эксцентриситет", значение которого лежит между нулем и единицей. Эксцентриситет, близкий к нулю, означает, что форма близка к окружности, а эксцентриситет, близкий к единице, означает, что форма очень сплющена. Кеплер опроверг идею, что планеты не вращаются по идеальным окружностям, но орбита земли имеет эксцентриситет около 2 процентов, что означает почти идеальную окружность. Как оказывается, это - счастливое стечение обстоятельств.







Погодные сезонные периоды на Земле определяются, в основном, наклоном земной оси вращения относительно плоскости своей орбиты вокруг Солнца. Зимой в северном полушарии, например, северный полюс отклонен от Солнца. Тот факт, что в это время Земля находится на самом близком расстоянии к Солнцу - 91.5 миллионов миль, в отличие от 94.5 миль в начале июля - незначительно влияет на температуру, по сравнению с эффектом от наклона ее оси. Но для планет, имеющих большой эксцентриситет, различные расстояния от Солнца играют большую роль. На Меркурии, например, с 20% эксцентриситетом, температура на 200 градусов по Фаренгейту выше, когда планета приближается к Солнцу (перигелий), чем когда она находится на самом далеком расстоянии от Солнца (афелий). Фактически, если бы эксцентриситет земной орбиты приближался к единице, наши океаны закипели, когда мы достигали ближайшей точки к Солнцу, и замерзали, когда бы мы удалялись, не создавая приятных условий для отпуска ни зимой, ни летом. Большой орбитальный эксцентриситет не благоприятен для жизни, поэтому нам посчастливилось, что наша планета имеет эксцентриситет, близкий к нулю.







Также удача в соотношении массы нашего Солнца и расстоянии от него. Потому что масса Солнца определяет количество энергии, которое оно выделяет. Большие звезды имеют массу, больше солнечной, более чем в сотни раз, тогда как маленькие - в сотни раз меньше. И еще, предполагая, что дистанция между Землей и Солнцем остается такой же, а наше Солнце имело бы массу на 20% меньше или больше, то на Земле было бы холоднее, чем сейчас на Марсе, или жарче, чем на Венере.

Обычно, рассматривая какую-либо звезду, ученые определяют пригодную для жизни зону, как узкое пространство вокруг звезды, в которой температура позволяет существовать воде в жидком состоянии. Пригодную для жизни зону иногда называют "зоной Златовласки", потому что условие, чтобы вода была жидкой, означает, что подобно Златовласке, развитие разумной жизни требует, чтобы температура планеты была "в самый раз". Пригодная для жизни зона в нашей солнечной системе, описанная выше, является очень узкой. К счастью для тех, кто наделен разумом, Земля угодила в нее!







Ньютон считал, что наша удивительная, пригодная для жизни солнечная система не "возникла из хаоса с помощью законов природы". Напротив он настаивал, что порядок во Вселенной был "создан Богом и поддерживается им до этих дней в том же состоянии и тех же условиях". Легко понять, почему он так думал. Много невероятных совпадений, которые произошли, чтобы дать нам существование, и дружественное человечеству устройство мира, действительно приводят в замешательство, если бы только наша солнечная система была единственной во Вселенной. Но в 1992 году поступили первые подтвержденные наблюдения за орбитами планет других звезд, как наше Солнце. Теперь мы знаем сотни таких планет, и можно предположить, что существует множество других среди многих миллиардов звезд в нашей Вселенной. Случайное совпадение наших планетарных условий - единственное Солнце, удачная комбинация расстояния между Землей и Солнцем, а также солнечная масса - гораздо менее удивительно, чем то, что Земля была аккуратно устроена как раз для благоприятного существования человечества. Существует много разных планет. На некоторых - минимум на одной - есть жизнь. Понятно, что когда живые существа на планете, которая поддерживает жизнь, изучают мир вокруг себя, они обязаны признать, что окружающая их среда соответствует условиям для их существования. Это позволяет преобразовать последнее утверждение в научный принцип: Именно наше существование устанавливает правила, определяющие, где и когда возможно наблюдать мир. Сам факт нашего существования вводит ограничения на условия окружающей среды, в которой мы находимся. Этот принцип называется слабым антропным принципом (обусловленный влиянием человека). (Мы скоро увидим, почему применено прилагательное "слабый"). Вместо термина "антропный принцип" лучше было бы использовать "принцип отбора", потому что этот принцип указывает на то, как наши знания о нашем существовании устанавливают правила, которые отбирают из всех возможных сред, только те среды, условия на которых позволяют существовать жизни.

Хотя это может звучать несколько философски, но слабый антропный принцип может быть использован, чтобы делать научные прогнозы. Например, сколько лет Вселенной? Как мы вскоре увидим, для нашего существования Вселенная должна такие элементы как углерод, который производится при горении элементов внутри звезд. Углерод должен быть потом распространен в пространстве в результате вспышки сверхновой звезды, и, в конечном итоге, стать частью планеты в во вновь созданной солнечной системе. В 1961 году физик Роберт Дик показал, что такие процессы занимают свыше 10 миллиардов лет, поэтому наше существование означает, что наша

Вселенная должна быть минимум взрослее. С другой стороны, Вселенная не может быть много старше 10 миллиардов лет, ведь в далеком будущем все топливо звезд будет выработано, а нам для существования нужны горячие звезды. Следовательно, нашей Вселенной около 10 миллиардов лет. Это не достаточно точный прогноз, но это похоже на правду - в соответствие с последними данными Большой Взрыв произошел около 13.7 миллиардов лет назад.

Как и в случае с возрастом Вселенной, антропные прогнозы дают, обычно, ряд значений для некоторой физической величины точнее, чем ее вычисление. Поэтому наше существование, в то время как это не могло бы потребовать особой ценности некоторого физического параметра, часто зависит от таких параметров, не изменяющихся слишком от того значения, которое мы фактически имеем. Мы, к тому же, предполагаем, что существующие условия в нашем мире являются типичными для условий ограниченных антропным принципом. Например, если только ограниченные орбитальные эксцентриситеты, скажем, между нулем и 0.5, позволят развиваться жизни, то эксцентриситет 0.1 нас не удивит, потому что среди всех планет во Вселенной, вероятно, значительный процент составляют орбиты с таким маленьким эксцентриситетом. Но если бы оказалось, что Земля переместилась на орбиту с почти совершенной окружностью, с эксцентриситетом, скажем, 0.00000000001, это сделало бы Землю действительно исключительной планетой, и заставило бы нас найти объяснение, почему мы живем в таком уникальном доме. Эта идея иногда называется принципом посредственности.

Счастливое стечение обстоятельств в отношении формы планетарных орбит, массы Солнца и так далее называется энвайронментальным (относящийся к окружающей среде), потому что они возникают из интуитивной прозорливости нашей окружающей среды, а не из удачных законов природы. Возраст Вселенной также является энвайронментальным фактором, поскольку существует раннее и позднее время в истории Вселенной, но мы должны жить именно в этой эре, потому что именно эта эра является подходящей для жизни. Энвайронментальное стечение обстоятельств легко понять, поскольку наше существующее окружение является только одним среди многих, которые существуют во Вселенной, и мы, очевидно, должны существовать именно в том месте, поскольку в нем поддерживается жизнь.

Слабый антропный принцип не самый дискуссионный. Но существует более сильная форма, которую мы будем здесь аргументировать, хотя к ней с пренебрежением относятся некоторые физики. Сильный антропный принцип предполагает, что сам факт нашего существования накладывает ограничения не только на наши окружающую среду, но и на возможную форму и суть законов природы как таковых. Эта идея возникла, потому что эти законы является не только специфическими характеристиками нашей солнечной системы, которые удивительно подходят для возникновения человеческой жизни, но также и характеристиками всей нашей Вселенной, и это является гораздо более трудным для понимания.

История о том, как первичная Вселенная, состоящая из водорода, гелия и небольшого количества лития эволюционировала во Вселенную, давшую пристанище как минимум одному миру с разумной жизнью, подобному нашему, является историей во многих главах. Как мы упоминали ранее, силы природы должны были быть такими, чтобы тяжелые элементы - особенно углерод - могли быть сформированы из первичных элементов, и оставаться стабильными, как минимум, миллиарды лет. Из этих тяжелых элементов образовались "очаги", которые мы называем звездами, так что эти силы в начале должны были сформировать звезды и галактики. Они произошли из крохотных однородных частиц в ранней Вселенной, которая была почти целиком однообразной, благодаря все-таки имеющейся плотности: примерно 1 часть на 100000. Однако, существование звезд, и существование внутри этих звезд элементов, из которых мы состоим, не является достаточным условием. Активность звезд должна быть такой, что некоторые, в конечном счете, должны были взорваться, и более того, взорваться именно таким образом, чтобы выпустить тяжелые элементы в космос. К тому же, законы природы должны указывать на то, что эти элементы могли бы объединиться в новую популяцию звезд, которые, окруженные планетами, вновь бы формировали тяжелые элементы. Эти последовательные определенные события должны были случиться, также как определенные события должны были произойти на ранней Земле, что позволить развиться нашей жизни. Но в отношении событий, приведших к эволюции Вселенной, такое развитие управлялось балансом сил природы, взаимодействие которых и привело к нашему существованию.

Одним из первых, кто пришел к этому, был Фред Хойл, в 1950 году. Он считал, что все химические элементы изначально были сформированы из водорода, который, как он предполагал, являлся истинной первичной субстанцией. Водород имеет простейшее атомное ядро, состоящее только либо из одного протона, либо в комбинации с одним или двумя нейтронами. (Различные формы водорода, или любое ядро, имеющее то же количество протонов, но различное количество нейтронов называются изотопами). Теперь мы знаем, что гелий и литий, атомы, чьи ядра состоят из двух и трех протонов, были также изначально синтезированы, в гораздо меньшем количестве, когда возраст Вселенной был всего 200 секунд. Жизнь, с другой стороны, зависит от более сложных элементов. Углерод, наиболее важный из них, является основой для всей органической химии.

Хотя кто-то может считать "живыми" организмами умные компьютеры, состоящие из других элементов, таких как кремний, сомнительно, чтобы жизнь могла бы самопроизвольно развиться в отсутствие углерода. Причины для этого формальны, но нужно учитывать то уникальное свойство, которое позволяет углероду соединяться с другими элементами. Двуокись углерода, например, является газом при комнатной температуре, и биологически очень полезна. Так как кремний находится прямо под углеродом в периодической таблице, он имеет похожие химические свойства. Однако, двуокись кремния, кварц, был бы более полезен в коллекции камней, чем в организме человека. (Здесь игра слов кремний - силикон (англ.), перев.). Возможно, что жизненные формы могли бы эволюционировать так, чтобы кремний считался деликатесом, а плескались бы мы в бассейне с нашатырным спиртом. Даже такой тип экзотической жизни не мог бы эволюционировать из первоначальных элементов, которые могут формировать только две стабильные структуры, гидрид лития, который является прочным кристаллическим бесцветным веществом, и водородный газ, ни один из них не способно не только воспроизводиться, но и даже "любить". И, фактически получается, что мы являемся углеродной формой жизни, и это ставит вопрос о том, как углерод, чье ядро содержит шесть протонов, и другие тяжелые элементы были созданы в наших телах.

Первый шаг произошел, когда старые звезды начали аккумулировать гелий, который производится, когда два ядра водорода сталкиваются и соединяются друг с другом. Это слияние является причиной того, как звезды создают энергию, которая нас греет. Два атома гелия при соединении образуют бериллий - атом, чье ядро содержит четыре протона. После того как образовался бериллий, он может, в принципе, соединится с трех ядерным гелием, формируя углерод. Но этого не происходит, потому что изотоп бериллия, который образовался, почти мгновенно распадается, вновь образовывая ядро гелия.

Ситуация меняется, когда звезда начинает испускать водород.

Когда это происходит, ядро звезды коллапсирует, до тех пор, пока его температура не достигает примерно 100 миллионов градусов по Кельвину. При этих условиях, ядра сталкиваются друг с другом так часто, что некоторые бериллиевые ядра соединяются с ядрами гелия прежде, чем они должны были распасться. Бериллий затем может соединиться с гелием, чтобы образовать углерод, который стабилен. Но этому углероду еще очень далеко до формирования сложных соединений химических компонентов, которые могли бы восхищаться бокалами из Бордо, показывать фокусы с пламенем, выходящим из пальца, или задавать вопросы о Вселенной. Для существования жизни, такой как человеческая, углерод должен быть перенесен из недр звезды в подходящую среду. Это, как мы говорили, происходит, когда звезда в конце своего жизненного цикла взрывается, превращаясь в суперновую, изгоняя углерод и другие тяжелые элементы, из которых позже образуется планета.


Тройной Альфа-Процесс. Образование углерода в звездах в результате соединения трех ядер гелия, событие, которое было бы очень маловероятно, если бы не специальное свойство законов ядерной физики.
Этот процесс образования углерода называется тройным альфа-процессом, потому что "альфа- частица" - другое название для ядра изотопа гелия, участвующего в реакции, и потому что этот процесс требует, чтобы три из них (в конечном счете) соединились вместе. Обычно физики полагают, что время образования углерода с помощью тройного альфа-процесса должно быть очень маленьким. Обращая на это внимание, в 1952 году Хойл предположил, что сумма энергий ядер бериллия и гелия должны почти совпадать с энергией определенного квантового состояния образованного изотопа углерода, что получило название резонанса, который значительно увеличивает время ядерной реакции. В то же время еще не были известны значения такой энергии, но основываясь на предположении Хойла, Уильям Фаулер из Калифорнийского технологического института искал и нашел его, подтвердив точку зрения Хойла на то, как образовываются сложные ядра.

Хойл писал: "Я не верю, что любой ученый, исследовавший свидетельство, оказался бы не в состоянии сделать вывод, что законы ядерной физики были преднамеренно спланированы с учетом последствий, которые они производят внутри звезд". В то время еще никто не разбирался достаточно хорошо в ядерной физике, что бы понять ту степень прозорливости, которая привела к созданию этих точных физических законов. Но, изучая обоснованность сильного антропного принципа, в последние годы физики начали сами себе задавать вопрос: какая бы была Вселенная, если бы законы природы были другими? Сегодня можем создавать компьютерные модели, которые показывают нам, как скорость тройной альфа-реакции зависит от стабильности фундаментальных сил природы. Такие вычисления показывают, что изменение на 0.5 % значения сильного ядерного взаимодействия, или на 4 % электрических сил, разрушит почти весь углерод и весь кислород на каждой звезде, а следовательно и возможность жизни, в том виде, которую мы имеем. Измените эти правила нашей Вселенной хоть на немного, и условия для нашего существования исчезнут.

Анализируя модель Вселенной, мы понимаем, когда теория физики меняется некоторым образом, можно понять эффект от изменения физических законов в методическом плане. Оказывается, что это не только величины сильного ядерного и электромагнитного взаимодействия, которые призваны упорядочить наше существование. Большинство фундаментальных констант в нашей теории являются точно отрегулированными, в том смысле, что если бы они были изменены на небольшое значение, Вселенная была бы совершенно другой, и во многих случаях, неприспособленной к возникновению жизни. Например, если бы другое ядерное взаимодействие - слабое взаимодействие - было бы еще слабее, в ранней Вселенной весь водород превратился бы в гелий, и, следовательно, не существовало бы нормальных звезд; Если бы они были наоборот сильнее, взрывы суперновых не выбрасывали бы их в пространство, и, следовательно, не произошло бы образования планет из тяжелых элементов, требующихся для зарождения жизни. Если бы протоны были на 0.2 % тяжелее, они распались бы на нейтроны, дестабилизируя атомы. Если бы сумма масс тех типов кварков, из которых состоят протоны, была бы уменьшена на 10 %, то было бы намного меньше стабильных атомных ядер, из которых мы состоим; суммарная масса кварков кажется примерно оптимизирована для существования большого количества стабильных ядер.

Если допустить, что несколько сотен миллионов лет на стабильной орбите необходимо, чтобы развиться жизни на планете, число пространственных измерений также является фиксированным. Потому, что в соответствие с законом гравитации, только в трехмерном измерении возможны стабильные эллиптические орбиты. Круговые орбиты возможны в других измерениях, но они, как предчувствовал Ньютон, нестабильны. Если в трехмерном измерении любое возмущение, такое как столкновение с другой планетой, выведет планету из круговой орбиты поведет ее по спирали либо к Солнцу, либо от него, и тогда мы либо сгорим, либо замерзнем. А в более чем трехмерное измерениях гравитационные силы между двумя телами будут уменьшаться более быстро, чем это происходит в трехмерном. В трехмерном измерении гравитационные силы уменьшаются до 1/4 от своего значения, если расстояние увеличивается вдвое. В четырехмерном измерение они уменьшаются до 1/8, в пятимерном - до 1/10, и т.д. В результате, в более чем трехмерное измерении Солнце не могло бы существовать в стабильном состоянии, со своим внутренним давлением, связанным силой гравитации. Оно либо разорвалось на куски или сжалось в черную дыру, что повлекло бы к нашей гибели. Применительно к атомам, электронные силы вели бы себя точно так же, как и гравитационные. Это означает, что электроны в атомах будут либо удаляться от ядра, либо приближаться к нему. В любом случае, атомы не были бы такими, какими мы их знаем.

Вероятность появления сложной структуры, способной поддерживать разумную жизнь, была очень незначительна. Законы природы формируют систему, которая очень точно отрегулирована, и только допускаются самые незначительные изменения в физических законах, которые не повлекут за собой разрушение возможности развития жизни, какую мы имеем. Не было бы ряда первоначальных совпадений в точных деталях физических законов, не было бы и человечества или похожих форм жизни.

Большинство впечатляющих выверенных совпадений включены в так называемую космологическую константу уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Как мы говорили, в 1915 году, когда он сформулировал теорию, Эйнштейн считал, что Вселенная статична, т.е. ни расширяющейся, ни сжимающейся. Так как любая материя притягивает другую материю, он включил в свою теорию новую антигравитационную силу, чтобы запретить Вселенной коллапсировать самой в себя. Эта сила, отличная от других сил, не была получена из каких-либо частных источников, но была встроена именно в систему пространства-времени. Космологическая константа указывает на величину этой силы.

Но когда было открыто, что Вселенная не статична, Эйнштейн исключил космологическую константу из своей теории и назвал ее величайшей своей ошибкой. Но в 1998 году наблюдение за очень далекими суперновыми показало, что Вселенная расширяется с ускорением, которое не возможно без некоторого рода отталкивающей силы, действующей сквозь пространство. Космологическая константа получила второе рождение. Как мы теперь знаем, ее значение отлично от нуля, вопрос остается, почему она имеет такое значение, какое она имеет. Физики объяснили, как это могло произойти благодаря квантовомеханическому эффекту, но значение, которое они смогли вычислить является числом на 120 порядков (единица со 120 нулями) больше, чем действительное значение, полученное наблюдением за суперновой. Это означает, что либо принципы, примененные в вычислениях, были ошибочными, либо существую еще другие факторы, которые чудесным образом отменяют все, кроме невообразимо маленького значения вычисленного числа. Но одно определенно, что если значение космологической константы много больше, чем это, то наша Вселенная разорвалась бы на куски, прежде, чем могли бы сформироваться галактики - и жизнь, которую мы знаем, была бы не возможна.

Как мы можем интерпретировать эту уникальность? Невероятность в точности форм и природы фундаментальных физических законов является удачей из удач, которую мы находим в окружающем мире. Это не легко объяснить, и это имеет более глубокий физический и философский смысл. Наша Вселенная и ее законы, кажется, созданы по проекту, и они предназначены, чтобы поддерживать нас, и, если мы существуем, оставляет маленькую возможность для изменений. Это нелегко объяснить, и возникает вопрос: почему это так?

Многим хотелось бы использовать это случайное стечение обстоятельств как доказательство Божьего творения. Идея о том, что Вселенная была задумана так, чтобы поддержать человечество, возникла в теологии и мифологии тысячи лет назад и существует по сей день. В "книге народов" древних майя, в мифоисторических повестях боги провозглашают: "Мы не получим ни славы ни почестей от всего того, что мы создали, до тех пор пока существует человек, способный ощущать". Типичный Египетский текст, датированный 2000 годом до н.э. гласит: "Люди, племя Божье, обеспечены им для существования". Он (Бог Солнца) создал небо и Землю для их блага. В Китае даосский философ Lieh Yu-K'ou (400 год до н.э.) высказывал идею через героя сказки, который говорит: "Небеса создали 5 видов семян для всхода, и привнесли свыше рыбу и птицу для нашей выгоды".

В западной культуре Ветхий Завет содержит идею о предопределенном замысле в своей истории создания, но традиционная христианская точка зрения находилась также под большим влиянием Аристотеля, который считал, что "разумный мир действует в соответствие с некоторым преднамеренным замыслом". Средневековый христианский теолог Фома Аквинский использовал идею Аристотеля о порядке в природе, чтобы объяснить существование Бога. В восемнадцатом веке другой христианский теолог зашел так далеко, что сказал, что кролики имеют белые хвосты, чтобы нам было легко охотиться на них. Более современная иллюстрация христианской точки зрения была дана несколько лет назад, когда кардинал Кристоф Шонборн, архиепископ Вены, написал: "Сейчас, в 21 веке, сталкиваясь с научными утверждениями подобно неодарвинизму и гипотезе о многих вселенных в космологии, выдуманных, чтобы избежать подавляющих доказательств в цели и дизайне, найденном в современной науке, Католическая церковь, снова защитит человеческую натуру, объявляя, что постоянный дизайн в природе реален." В космологии несомненной очевидностью назначения и замысла, на которые ссылался кардинал, является точная регулировка физических законов, о которой мы писали выше.

Поворотным моментом в научном отказе от геоцентрической системы мира, была модель солнечной системы Коперника, в которой Земля больше не занимала центральную позицию. Забавно, что собственное мировоззрение Коперника было антропоморфическим, он даже успокаивал нас, указывая на то, что несмотря на его гелиоцентрическую модель, Земля является почти центром Вселенной: "Хотя Земля не является центром Вселенной, тем не менее, расстояние от земли до центра ничтожно, если сравнивать его с расстоянием от центра до звезд". С изобретением телескопа, открытия в 17 веке, такие как то, что не только вокруг нашей планеты имеется спутник, придали вес закону о том, что мы не занимаем привилегированное положение во Вселенной. В последующие века новые открытия показали, что наша планета является, вероятно, просто заурядной планетой. Но открытие относительно недавно исключительно тонкой регулировки многих законов природы могло вернуть, по крайней мере, некоторых из нас к старой идее, что этот великий проект является работой некоторого великого дизайнера. В США, поскольку Конституция запрещает преподавание религии в школе, подобную идею назвали искусственным проектом, не упоминая, но подразумевая, что этот создатель - Бог.

Но это не ответ современной науки. Мы видели в Главе 5, что наша Вселенная должна быть одной из многих, у каждой из которых свои законы. Г ипотеза о множестве вселенных - это не понятие, изобретенное, чтобы не считать чудом точную настройку. Это результат пограничных условий, так же как многих другие теорий в современной космологии. Но если это так, тогда сильный антропный принцип может считаться фактически эквивалентным слабому, помещая точную настройку физических законов на некоторую основу, такую, как факторы окружающей среды, то это будет означать, что наша космическая среда - теперь полностью обозримая Вселенная - является одной из многих, как и наша солнечная система одна из многих. Это означает, что таким же образом, как и гармония в нашей солнечной системе была создана обычным образом, и поэтому миллиарды таких систем существуют, так же и точной подгонкой законов природы можно объяснить существование множества вселенных. Множество людей долгие годы приписывали Богу красоту и сложность природы, так как в то время не было научного объяснения. Но, как Дарвин и Уоллас объяснили, как несомненно поразительный дизайн живых форм мог появиться без вмешательства высшей сущности, концепция множественных вселенных может объяснить точную подгонку физических законов без участия великодушного создателя, который сотворил Вселенную для нашего блага.

Эйнштейн однажды задал своему ассистенту Эрнсту Штраусу вопрос: "Имел ли Бог выбор, создавая Вселенную?" В конце 16 века Кеплер был убежден, что Бог создал Вселенную, в соответствие с некоторыми совершенными математическими принципами. Ньютон показал, что те же самые законы, которые действуют на небесах, действуют и на Земле, и разработал математические уравнения, чтобы описать эти законы, которые оказались такими изящными, что они заразили многих ученых 18 века, которые намеревались использовать их, чтобы доказать, что Бог был математиком.

Со времен Ньютона и, особенно, Эйнштейна, целью физики было найти математические принципы, которые предсказывал Кеплер, и с помощью них создать единую теорию всего, что позволило бы просчитать каждый элемент материи и сил, которые мы наблюдаем в природе. В конце девятнадцатого - начале двадцатого века, Максвелл и Эйнштейн объединили теории электричества, магнетизма и светового излучения. В 1970-х была создана стандартная модель - единая теория сильного и слабого ядерного взаимодействия и

электромагнитного взаимодействия. Теория струн и М-теория были созданы, чтобы включить в единую теорию оставшееся гравитационное взаимодействие. Целью было найти не просто единую теорию, которая объясняет все эти взаимодействия, но так же объясняет фундаментальные составляющие, о которых мы говорили: силы взаимодействия, массы и заряды элементарных частиц. Как выразился Эйнштейн, надежда была в том, чтобы можно было сказать, что "природа так устроена, что возможно логически сформулировать такие строго детерминированны законы, которые используют только рациональные полностью определенные константы (следовательно, не те константы, чьи значения могут быть изменены, не разрушая теорию)". Единая теория вряд ли имела бы точную настройку, чтобы позволить нам существовать. Но если в свете последних достижений мы интерпретируем мечты Эйнштейна о единой теории, которая объясняет эту и другие вселенные, с их целым спектром различных законов, то М-теория могла бы стать такой теорией. Но является ли М-теория единой, или нуждается в любых простых логических принципах. Можем ли мы ответить на вопрос, почему М-теория?

ВЕЛИКИЙ ЗАМЫСЕЛ

В ЭТОЙ КНИГЕ МЫ ПОКАЗАЛИ, как закономерности в движении астрономических тел, таких как Солнце, Луна и планеты наводят на мысль, что они подчиняются определенным законам лучше, чем если бы они были объектами прихотей или капризов Бога или дьявола. В начале существование законов было очевидно только в астрономии (или астрологии, которая рассматривалась как то же самое). Движение тел на небе является столь сложным и зависит от многих факторов, что ранние цивилизации были не в состоянии представить четкие модели или законы, обуславливаемые этими явлениями. Постепенно, однако, новые законы были открыты в областях, отличных от астрономии, и это привело к идее научного детерминизма. Предполагается, что должен быть описан полный и завершенный свод законов, так чтобы имея определенное состояние Вселенной в определенный момент времени, можно было бы точно предсказать, как Вселенная будет развиваться в будущем. Эти законы должны соблюдаться везде и во все времена, иначе они не были бы законами. И не должно быть никаких исключений или чудес. Бог или Дьявол не могли бы вмешиваться в развитие Вселенной.

В то время, когда впервые был предложен научный детерминизм, законы Ньютона о движении и гравитации были единственными законами. Мы показали, как эти законы были дополнены Эйнштейном в своей общей теории относительности, и как были открыты другие законы, описывающие другие аспекты мироздания.

Законы естества объясняют нам, как Вселенная развивается, но они не могут ответить на вопрос: почему именно так? Вот вопросы, которые были поставлены в начале этой книги:

Почему нечто лучше, чем ничего?

Почему мы существуем?

Почему существует именно этот набор законов , а не другой?

Некоторые ответят на эти вопросы, что существует Бог, который решил создать мироздание именно таким. Резонно спросить, кто или что создало Вселенную, но если ответом будет - Бог, тогда естественно возникает вопрос, а кто создал Бога? Если принять ту точку зрения, то есть некоторая сущность, которая не нуждается в создателе, и эта сущность называется Богом. Это приводится, как главный аргумент того, что Бог существует. Мы хотим, однако, получить ответ на этот вопрос исключительно внутри сферы науки, без привлечения божественных сил.

В соответствие с идеей модельно-зависимого реализма, представленного в Главе 3, наш мозг интерпретирует поступающую через наши органы чувств информацию, создавая модель внешнего мира. Мы формируем внутреннее представление о нашем доме, деревьях, других людях, электричестве в розетках, атомах, молекулах и других сущностях. Это внутреннее представление является единственной реальностью, которую мы можем понимать. Не существует модельно независимого подтверждения реальности. Из этого следует, что хорошо сконструированная модель создает свою собственную реальность. Примером того, что может помочь нам понять о реальности и создании, является Игра Жизни, изобретенная в 1970 году молодым математиком из Кембриджа по имени Джон Конвей.

Слово "игра" в Игре Жизни является обманчивым термином. Там нет ни победителей ни проигравших, фактически, там нет игроков. Игра Жизни - не настоящая игра, а набор законов, которые управляют двумерной Вселенной. Это детерминированная Вселенная: Единожды вы устанавливаете начальную конфигурацию или условия, а законы помогут точно определить, что произойдет в будущем.

Воображаемый мир Конвея является квадратной матрицей, по типу шахматной доски, но простирающейся по всем сторонам бесконечно. Каждая клетка может находиться в одном из двух состояний. Живая (зеленый цвет) или мертвая (черный). Каждая клетка имеет восемь соседних клеток: сверху, снизу, слева, справа и четыре клетки по диагонали. Время в этом "мире" не непрерывное, а дискретное. Дается некоторое начальное расположение мертвых и живых клеток, число живых соседних клеток определяет, что произойдет дальше в соответствие со следующими законами:

  1. Живая клетка, рядом с которой находятся две или три живые клетки выживает.

  2. Мертвая клетка, имеющая ровно три живых соседа, становится живой клеткой (рождается).

  3. Во всех других случаях клетки либо умирают, либо остаются мертвыми. В случае, если живая клетка имеет ноль или одного живого соседа, считается, что она умерла от одиночества; если же она имеет более трех живых соседей, то считается, что она умерла от перенаселения.

Это все правила, приступим. Дается начальное условие, и законы начинают порождать поколение за поколением. Изолированные одна живая клетка или две соседние живые клетки умирают при следующем дискретном шаге времени, поскольку они не имею достаточное количество живых соседей. Три живые клетки, расположенные по диагонали живут чуть дольше. После первого временного шага умирают конечные клетки, на следующем шаге умирает уже средняя клетка. Любая диагональная линия живых клеток "испаряется" таким вот образом. Но если три живых клетки располагаются горизонтально в ряд, снова центральная клетка имеет двух соседей и выживает, а две конечные - умирают, но в этом случае клетки, находящиеся выше и ниже центральной рождаются согласно закону. Поэтому ряд превращается в колонку. Аналогично, при следующем шаге колонка превращается в ряд и так далее. Такая колеблющаяся конфигурация называется "реле".







Если три живые клетки расположены углом (в форме L), происходит следующее. При следующем шаге рождается недостающая до квадрата 2х2 клетка и получается квадрат. Блок, принадлежащий к такому типу названному "образцом", продолжает жить, потому что он с течением времени будет неизменным. Многие типы "образцов" являются трансформерами, поскольку их соседние клетки то умирают, то рождаются, и в итоге через некоторое количество шагов "образец" принимает свою первоначальную форму.







Существует так же модель, названная "глиссером", которая меняет свою форму и после нескольких трансформаций принимает свою первоначальную форму, но в позиции, смещенной относительно первоначальной на одну клетку по диагонали. Если вы понаблюдаете некоторое время, то "глиссер" будет медленно ползти по диагонали. Когда "глиссеры" сталкиваются, могут произойти любопытные вещи, в зависимости от формы каждого "глиссера" на момент столкновения.







Почему нам интересен этот виртуальный мир? Хотя его фундаментальная "физика" очень проста, его "химия" может быть довольно сложна. Композитные объекты можно рассматривать с разных уровней. На первом уровне фундаментальная физика сообщает нам, что существуют только живые и мертвые клетки. На следующем уровне существуют "глиссеры", "реле" и "образцы". На следующем уровне существуют даже более сложные объекты, такие как "производитель глиссеров": Неподвижные объекты, которые периодически порождают новые "глиссеры", которые покидают свое "гнездо" и устремляются вниз по диагонали.

Если вы понаблюдаете за виртуальным миром Игры Жизни на некотором уровне, вы сможете сформулировать законы, по которым ведут себя объекты на этом уровне. Например, на этом уровне объектов вы можете открыть законы такие, как "Блоки никогда не двигаются", "Глиссеры перемещаются по диагонали" и различные законы для того случая, когда объекты сталкиваются. Можно создать целостную физику для любого уровня композитных объектов. Эти законы повлекут за собой новые сущности и концепции, которых не было среди первоначальных законов. Например, в первоначальных законах не было таких понятий, как "столкновение" и "движение". Первоначальные законы описывали только жизнь и смерть отдельных неподвижных клеток. В нашем виртуальном мире, в Игре Жизни, ваша реальность зависит от модели, которую вы используете.







Конвей и его студенты создали этот мир, потому что они хотели узнать, может ли некий виртуальный мир (с начальными простыми законами, которые они установили), содержать достаточно сложные объекты, способные к воспроизводству. В этом мире Игры Жизни существуют ли композитные объекты, которые на основе первоначальных законов на некоторой стадии начнут воспроизводить новые объекты? Конвей и его студенты не только продемонстрировали, что это возможно, но они даже показали, что такой объект является, в некотором смысле, разумным! Что мы подразумеваем под этим? Если точнее, то они показали, что огромная конгломерация клеток, которые самовоспроизводятся, является универсальной Тьюринговой машиной. Для нас это может означать, что некоторые вычисления компьютер в нашем физическом мире может, в принципе, выполнить, если ему предоставить четкие входные данные - обеспечить соответствующую виртуальному миру Игры Жизни среду - тогда через некоторое время компьютерный мир будет находиться в том состоянии, которое можно сравнить с предсказанными результатами компьютерного расчета.


Производитель Глиссеров После 116 Шага. Со временем производитель глиссеров меняет форму, порождает глиссер и затем принимает свою первоначальную форму и положение. Процесс повторяется до бесконечности.

Чтобы почувствовать, как это работает, подумайте, что произойдет, когда "глиссер" сталкивается с простым 2x2 блоком живых клеток. Если "глиссеры" приближаются нормальным образом, то блок, который является стационарным, начнет двигаться к источнику "глиссера", либо от него. Таким образом, блок может имитировать компьютерную память. Фактически, все основные функции современного компьютера, такие как логические элементы AND и OR, также могут быть воспроизведены "глиссерами". Таким образом, как электрические сигналы используются в физических компьютерах, поток "глиссеров" может использоваться для посылки и обработки информации.

В Игре Жизни, как и в нашем мире, самовоспроизводящиеся объекты являются сложными объектами. По оценке, основанной на ранних работах математика Джона фон Неймана, минимальный размер самовоспроизводящегося объекта в Игре Жизни - десять триллионов клеток - приблизительно равно количеству молекул в одной человеческой клетке.

Можно определить жизнь, как комплексную систему ограниченного размера, которая стабильна и воспроизводит сама себя. Объекты, описанные выше, соответствуют условию репродуктивности, но вероятно нестабильны. Небольшое воздействие из внешнего мира вероятно разрушит этот тонкий механизм. Однако, легко представить, что немного более сложные законы позволят существовать комплексным системам со всеми атрибутами жизни. Представьте сущность такого типа, как объект в мире Конвея. Такой объект будет реагировать на внешнее воздействие, и, следовательно, принимать решения. Будет ли такая жизнь иметь сознание? Будет ли она мыслящей? Это вопрос, на который мнения резко разделились. Некоторые считают, что самосознание характерно только для человека. Это дает ему свободу воли, способность выбирать между различными вариантами действий.

Как можно определить, имеет ли существо свободную волю? Если кто-то повстречает пришельца, как сможет он определить что это просто робот или же что у него есть разум? Поведение робота является полностью детерминированным, в отличие от обладающего свободной волей. Хотя можно, в принципе, дать определение роботу, как существу, чьи действия можно предсказать. Как мы говорили в Главе 2, это может быть практически невозможно, если существо является большим и сложным. Мы даже не можем точно решить уравнение для трех и более частиц, взаимодействующих друг с другом. Как и у пришельца, тело человека состоит из тысячи триллионов триллионов частиц, и даже если бы пришелец был бы роботом, было бы не возможно решить уравнение и предсказать его поведение. Поэтому можно сказать, что любое сложное существо имеет свободную волю - не как основополагающую особенность, а как действенный принцип, признавая нашу неспособность проделать вычисления, которые бы предсказать нам его поведение.

Пример Игры Жизни Конвея показывает, что даже очень простой набор законов может породить сложное поведение, встречающееся в разумной жизни. Должно быть, существует много наборов законов с такими свойствами. Что отличает фундаментальные законы (в противовес очевидным законам), которые управляют нашей Вселенной? Как и в "мире" Конвея, законы нашей Вселенной определяют эволюцию системы, ее состояние в любой момент времени. В "мире" Конвея мы являемся создателями - мы выбираем начальное состояние "мира", определяя объекты и их положение в начале игры.

В реальном мире аналогами объектов, таких как "глиссеры" в Игре Жизни, являются обособленное материальное тело. Любой набор законов, который описывает развитие мира, подобно нашему, будет основываться на принципе сохранения энергии, означающим, что ее величина не меняется со временем. Энергия Вселенной будет постоянной, не зависимо ни от времени, ни от состояния. Можно вычислить эту константу энергии вакуума, измеряя энергию любого объема пространства относительно такого же объема пустого пространства, таким образом, мы можем назвать постоянный ноль. Единственным требованием, которому должен удовлетворять закон природы, является то, что он устанавливает, чтобы энергия обособленного тела, окруженного пустым пространством, была положительной, что означает, что должна быть проделана работа, чтобы создать это тело. Это потому, что если бы энергия обособленного тела была отрицательной, тело могло бы быть создано в состоянии движения, так что его отрицательная энергия была бы точно уравновешена положительной энергией его движения. Если это верно, то нет никаких оснований считать, что тела не могут появляться где-либо или везде. Пустое пространство будет поэтому нестабильным. Но если затрачивается энергия для создания обособленного тела, такой нестабильности не может быть, потому что, как мы уже говорили, энергия Вселенной должна оставаться постоянной. Именно это делает Вселенную локально стабильной - объекты не должны появляться где-либо из ничего.

Если полная энергия Вселенной должна всегда оставаться нулевой, и необходимо затратить энергию, чтобы создать тело, как может вся Вселенная быть создана из ничего. Вот почему должен существовать такой закон, как гравитация. Так как гравитация притягивает, то энергия гравитации является отрицательной. Необходимо произвести работу, чтобы разделить гравитационно связанную систему, такую как Земля и Луна. Эта отрицательная энергия может быть сбалансирована положительной энергией, необходимой чтобы создать материю, но все не так просто. Отрицательная гравитационная энергия земли, к примеру, меньше, чем положительная энергия миллиардов частиц, из которых она состоит. Тело, такое как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем меньше она (частицы, из которых она состоит, находятся ближе друг к другу), тем больше будет ее отрицательная гравитационная энергия. Но прежде, чем отрицательной гравитационной энергии может стать больше положительной энергии вещества, звезда сколлапсирует в черную дыру, и черная дыра будет иметь положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, такие как звезды или черные дыры, не могут так просто появляться из ничего. Но целая Вселенная может!

Потому что гравитация создает пространство и время, она позволяет пространству-времени быть локально стабильным, но глобально нестабильным. В масштабах целой Вселенной, положительная энергия материи может быть сбалансирована отрицательной гравитационной энергией, и поэтому не существует ограничений на создание целостных вселенных. Потому что существует закон гравитации, Вселенная может и будет создавать саму себя из ничего так же как мы описали в Главе 6. Спонтанное создание является доводом, что нечто лучше, чем ничего, почему Вселенная существует, почему мы существуем. Нет необходимости привлекать Бога, чтобы запустить Вселенную.

Почему существуют фундаментальные законы, которые мы описали? Окончательная теория должна быть последовательна и должна предсказывать конечные результаты для величин, которые мы можем измерить. Мы поняли, что должен существовать такой закон как гравитация, и мы видели в Главе 5, что для того, чтобы теория гравитации предсказывала измеряемые величины, теория должна иметь суперсимметрию между силами природы и материей, на которую они действуют. М-теория - самая общая симметричная теория гравитации. Таким образом, М- теория является единственным кандидатом на законченную теорию Вселенной. Если это окончательно - и это еще надо доказать - то М-теория будет моделью Вселенной, которая создает сама себя. Мы, должно быть, часть этой Вселенной, поскольку не существует другой совместимой модели.

М-теория является объединенной теорией, которую Эйнштейн пытался создать. Тот факт, что мы, люди, существуем, являясь не более чем композицией из фундаментальных частиц природы, и что мы оказались в состоянии подойти к пониманию законов, действующих на нас и на Вселенную, является величайшим триумфом! Возможно, чудом является то, что абстрактные логические выводы привели к уникальной теории, которая предсказывает и описывает громадную Вселенную, полную удивительного многообразия, которое мы наблюдаем. Если эта теория подтвердится наблюдениями, это будет выдающимся умопостроением, к которому люди шли более 3000 лет. Мы откроем великий замысел.

ГЛОССАРИЙ



Альтернативные истории • формулировка в квантовой теории, в которой вероятность всякого наблюдения состоит из всех возможных историй, которые могли бы привести к этому наблюдению.

Человеческий принцип • мнение о том, что мы можем выдвигать умозаключения об очевидных законах физики, основанных на факте нашего существования.

Антиматерия • всякая частица материи имеет соответствующую анти-частицу. Когда они встречаются, они аннигилируют друг с другом, выделяя чистую энергию.

Очевидные законы • законы природы, наблюдаемые нами в нашей Вселенной - законы четырёх сил и такие величины как масса и заряд, характеризующие элементарные частицы; в отличии от более фундаментальных законов М-Теорий, эти допускают различные вселенные с различными законами.

Асимптотическая свобода • свойство больших энергий, заставляющее их становиться слабее на коротких отрезках. Следовательно, хотя кварки и привязаны к ядру большой энергией, они могут двигаться в пределах ядра практически также, как если бы они не испытывали влияния этой силы вовсе.

Атом • элементарная частица простой материи, состоящая из ядра с протонами и нейтронами, окружённая летающими по орбите электронами.

Барион • тип элементарной частицы, такой как протон или нейтрон, состоящей из трёх кварков.

Большой Взрыв • сгусток, горячее начало Вселенной. Теория Большого Взрыва постулирует, что около 13 миллиардов лет назад часть Вселенной, которую мы видим, была лишь несколько миллиметров в диаметре. Сейчас же Вселенная гораздо больше и холоднее, но мы можем наблюдать следы более ранних периодов в космическом микроволновом радиационном фоне, пронизывающем всё пространство.

Чёрная дыра • участок пространства-времени, который благодаря огромной гравитационной силе отрезан от остальной Вселенной.

Бозон • элементарная частица, несущая энергию.

Подход "от частного к общему” (подход "снизу вверх”) • в космологии - идея, опирающаяся на предположение, что существует лишь одна история Вселенной, с строго определённой точкой отчёта и, что нынешнее состояние Вселенной есть стадия эволюции от этой точки.

Классическая физика • любая физическая теория, в которой Вселенной предполагается иметь одну строго определённую историю.

Космологическя постоянная • коэффициент в уравнении Эйнштейна наделяющий пространство- время изначальной потребностью к растяжению. Электромагнитная сила • вторая из четырёх по величине сила природы. Происходит между частицами с электрическими зарядами.

Электрон • элементарная частица материи, имеющая отрицательный заряд и ответственная за химические свойства элементов.

Фермион • элементарная частица составляющая материю.

Галактика • огромная система из звёзд, межзвёздного вещества и тёмной материи, сдерживаемых вместе гравитацией.

Гравитация • слабейшая из четырёх сил природы. Причина, по которой объекты обладающие массой притягиваются друг к другу.

Принцип неопределённое™ Гейзенберга • закон квантовой теории, утверждающий, что пара физических величин одновременно не может быть известна с произвольной точностью.

Мезон • тип элементарной частицы, состоящий из кварка и анти-кварка.

М-Теория • фундаментальная теория физики, претендующая на звание теории всего.

Мультивселенная • множество вселенных.

Нейтрино • чрезвычайно легкая элементарная частица, на которую воздействуют лишь слабое ядерное взаимодействие и гравитация.

Нейтрон • вид электрически нейтрального бариона, который вместе с протоном формирует атомное ядро.

Безграничное условие • необходимость того, чтобы истории Вселенной были замкнуты в безграничном пространстве.

Фаза • позиция в волновом цикле.

Фотон • бозон, несущий электромагнитную энергию. Квантовая частица света.

Вероятностная амплитуда • в квантовой теории множество чисел, чьё взятое в квадрат абсолютное значение, даёт вероятность.

Протон • тип положительно заряженного бариона, который вместе с нейтроном формирует атомное ядро.

Квантовая теория • теория, в которой объекты не имеют единственной определённой истории.

Кварк • элементарная частица, с незначительным электрическим зарядом, на которую воздействует большая энергия. Протон и нейтрон, каждый состоят из трёх кварков.

Ренормализация • математическая техника, разработанная, чтобы придать смысл бесконечностям, возникающим в квантовых теориях.

Сингулярность • точка пространства-времени, в которой физическая величина становится бесконечной.

Пространство-время • математическое

пространство, чьи точки должны быть определенны координатами и пространства и времени.

Теория струн • физическая теория, в которой частицы описаны как формы вибрации, имеющей долготу, но не высоту или ширину -- как бесконечно тонкий отрезок струны.

Сильное ядерное взаимодействие • сильнейшая из четырёх сил природы. Эта сила держит протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Также, она держит сами протоны и нейтроны вместе, что необходимо, так как они состоят из более малых частиц - кварков.

Супергравитация • теория гравитации, содержащая подобие симметрии, называемое суперсимметрией.

Суперсимметрия • особый вид симметрии, не связанный с преобразованием обычного пространства. Одними из важнейших значений суперсимметрии являются энергия частиц и материя частиц, и следовательно энергия и материя есть две стороны одной медали.

Подход "от общего к частному” (подход "сверху вниз”) • подход в космологии, в котором кто-нибудь отслеживает истории Вселенной "сверху вниз", т.е. в обратном направлении от настоящего времени.

Слабое ядерное взаимодействие • одна из четырёх сил природы. Слабое взаимодействие в ответе за радиоактивность и играет жизненно важную роль в формировании элементов в звёздах и ранней Вселенной.


БЛАГОДАРНОСТИ

ЗАМЫСЕЛ ЕСТЬ У ВСЕЛЕННОЙ, есть он и у книги. Но в отличие от Вселенной, книга не возникает просто так из ничего. Книге нужен создатель, и эта ответственность ложится не только на плечи её авторов. Так что в первую и главную очередь, нам бы хотелось выразить благодарность и признательность нашим редакторам: Бет Рашбаум и Энн Харрис за их практически бесконечное терпение. Они были нам учениками, когда нам были нужны ученики, учителями, когда нужны были учителя и подгоняли нас, когда нужно было подгонять. Они держались оригинала, сохраняя при этом чувство юмора, вне зависимости от того шла ли речь о постановке запятой или о невозможности рассмотрения отрицательного искривления поверхности, симметричного относительно оси в двухмерном пространстве. Ещё нам бы хотелось поблагодарить Марка Хиллери, который любезно прочёл большую часть текста и внёс ценные замечания; Кэрол Ловенштайн, которая очень помогла с дизайном; Дэвида Стивенсона, сделавшего от начала и до конца обложку и Лорен Новэк, чьё внимание к деталям уберегло нас от опечаток, которых бы нам не хотелось увидеть напечатанными на бумаге. Питеру Боллингеру: огромная благодарность за то, что привнесли искуство в науку своими иллюстрациям, и за ваше усердие в проверке точности каждой мелочи. И Сидни Харрис: спасибо за замечательные мультики и величайшую чуткость к проблемам, с которыми сталкиваются учёные. В другой Вселенной вы могли бы быть физиком. Также мы признательны нашим агентам: Элу Цукерману и Сьюзан Гинзбург за их помощь и поддержку. Если выбирать две их самые частоповторяемые фразы, то ими были бы "Пора бы уже и закончить книгу" и "Не беспокойся о том, когда закончишь, в конце концов это случится." У них хватало мудрости, чтобы знать когда и что сказать. И наконец, наши благодарности персональному ассистенту Стивена - Юдит Крозделл; и помогавшим ему с компьютером Сэму Блэкборну и Джоан Годвин. Они не только помогали морально, но физически и технически, без чего нам бы не удалось написать эту книгу. И более того, они всегда знали лучшие пабы.
ЕСЛИ ВЫ ПОНИМАЕТЕ ЭТИ ТЕРМИНЫ, ТО МОГЛИ БЫ ПОПРОБОВАТЬ ПРОЧИТАТЬ КНИГУ В ОРИГИНАЛЕ:

Air, discovery of Almagest (Ptolemy)

Alternative histories. See also Quantum physics/quantum theory Feynman diagrams and Feynman’s sum over histories and the past and quantum vs. Newtonian worlds and universe and Anaximander Anthropic principle strong anthropic principle weak anthropic principle Antimatter

Anti-quarks (pi mesons)

Anti-realists Apparent laws of nature Aquinas, Thomas Archimedes Aristarchus Aristotle

creation as deliberate design

four-element theory

on no exceptions to natural laws

rate of falling objects theory

reason for principles of nature

use of reason instead of observation

Asymptotic freedom

Atomism

Atoms

hydrogen, Lamb shift and quarts, protons, and neutrons strong nuclear force and Augustine of Hippo, St.

Babylonians

Baiyon

Berkeley, George Beryllium Big bang theory CMBR and evidence of

irregular universe and inflation as spontaneous quantum event when it happened

Black hole Boshongo people Boson Brain

laws of science and model building of Buckyballs buckyball soccer particle paths Buoyancy, law of

Caenorhabditis elegans

Carbon

as basis for life

creation of, in primordial universe triple alpha process and in universe Carroll, John W.

Cathode rays CERN, Geneva Chemistry

Chinese philosophy and mythology God as Creator tale of the ten suns

Christianity

creation as deliberate design JohnXXPs list of heresies, science and miracles

natural laws as obedient to God

notion of free will and purpose

Ptolemaic model adopted by Roman Catholic

Church

rejection of indifferent natural laws

Roman Catholic Church acknowledges wrong

to Galileo

Clepsydra

Conway, John

Copernicus

Corpuscle theory

Cosmic microwave background radiation (CMBR)

evidence of inflation and

Cosmological constant

Cosmology. See also Universe

bottom up” approach

grand design and

laws of nature as “fine-tuned”

number of dimensions in the universe predictions in

top down” approach

Crater Lake, Oregon

Creation. See also Life; Universe

account in Genesis

big bang theory

empirical evidence of

God as Creator

as godless

of life

M-theory and myths

origin of the universe

spontaneous quantum creation of the universe Curvature/curved spaces geodesics great circle

Darwin, Charles Davisson, Clinton Davy, Sir Humphrey Delayed-choice experiments Democritus

De revolutionibus orbium coelestium (On the

Revolutions of the Celestial Spheres [Copernicus])

Descartes, Rene Dicke, Robert Double-slit experiment buckyball soccer delayed-choice experiments Feynman’s insight particle paths two-slit soccer “which-path” information Dualities

Earth

as center of the universe cessation of rotation Copernican model and creation

curvature of, and geodesics eclipse and

ether (luminiferous ether) and gravity and as hospitable to life laws of nature and

Mercator projection, world map orbit

planetary system of Ptolemaic model and seasonal weather patterns speed of

Eccentricity of elliptical orbits Eclipse (lunar or solar) prediction of Economics Eddington, Arthur Effective theory Egyptian creation myth Einstein, Albert cosmological constant on creation of the universe expanding universe and general relativity photoelectric effect special relativity on time

on unified theory

on the universe

Einstein’s the о it of relativity

general relativity

GPS satellite navigation systems and general relativity

space-time and general relativity special relativity Electromagnetic force bosons and electro weak force and light and

Maxwell's equations QED and

speed of electromagnetic waves Electrons

double-slit experiment and

Feynman diagrams and

particle paths

Electro weak force

three new particles discovered

Elegance, of models

Empedocles

Energy

constant zero

of empty space

of universe

Epicurus

Ether (luminiferous ether)

Euclid

Evolution

Faraday, Michael Fermion

Feynman, Richard (Dick) Feynman diagrams Feynman paths QED and

sum over histories

van owned by

FitzGerald, George Francis

Force fields

bosons

fermions

Fowler, William

Free will

Friedmann, Alexander Fuller, Buckminster

Galaxies

alternative histories and

cosmological constant and expanding universe and heavy elements and formation of

inhomogeneities in universe and

light from distant

number of and stars in

planetary systems of

quantum fluctuations and formation of

Galileo

rate of falling objects theory7

Game of Life

blinkers

evolution of a still life glider guns gliders

still-life blocks Geodesics Germer, Lester God (or gods) as causal in nature creation and as dice-thrower first-cause argument

Joshua praying for the sun and moon to halt as mathematician natural laws, human statues and natural laws and

Newton’s belief in God’s intervention universe as God’s dollhouse what happened before the world existed? Grand design

laws of nature as “fine-tuned” and no-boundary condition and Grand unified theories (GUTS)

Gravitational waves Gravity

cosmological constant cosmological constant and creation of stars, galaxies, planets effective theory and Einstein’s general relativity and galaxies and

mathematical formulation of theory

M-theory7 and

Newton’s law of

orbits and three dimensions

quantum theory and

as shaper of space-time standard model not applicable supergravity theory warpage of time and space by as weak force Great circle Greece, ancient

distinction between human and natural laws

lacking

Ionian science

laws of nature and

questions of creation and

scientific method lacking

Stoics

Grimnismar (The Elder Edda)

Harris, Sidney, cartoons by Heisenberg, Werner Heisenberg uncertainty principle empty space, impossibility of, and Planck’s constant Helium

big bang theory7 and

creation of beryllium, carbon, and

ill primordial universe Heraclitus

Hitchhiker's Guide to the Galaxy

Holographic principle

Hoyle, Fred

Hubble, Edwin

Humans. See also Life

creation of, Biblical

definition of living beings

existence relative to cosmic history

free will and

natural laws and

origins of hото sapiens

psychology as study of will and behavior

robot vs.

self-awareness

soul of

written language and cultivation begun

Hume, David

Hydrogen

fusion, in stars

isotopes

Lamb shift and

in primordial universe

Inertia, law of Inflation theory irregular universe and “InitiaL conditions”

Intelligent design Interference constructive destructive

double-slit experiment Newton's rings and puddle interference “which-path” information and Young’s experiment and Ionian science

Johnson, Samuel John XXI, Pope

Kelvin, William Thomson, Lord Kepler, Johannes Klamath Indians

Lamb shift

Laplace, Pierre-Simon, marquis de

Large Hadron Collider, Geneva

Law of the lever

Laws of nature

ancient Greece and

apparent laws

Aristotle’s errors

changing conception of

dependent on history of the universe

Descartes and

electric and magnetic forces

energy and

exceptions to (i.e., miracles) as fine-tuned first recognition of four classes of known forces Galileo and generalizations vs.

God and grand design

gravity, as first in mathematical language humans governed by initial conditions and Ionian science mathematical formulation of mathematical formulation of, first modern concept of modern definition M-theory and origin of

quantum physics and rejection of indifferent soul exempt from strong anthropic principle and uniqueness of uniqueness of (one set of)

Lemaltre, Georges Lieh Yii-K:ou Life

carbon-based life-form creation of

definition of living beings environmental conditions for existence of

fundamental constants as fine-tuned God as Creator Goldilocks zone and intelligent

multiverse concept and solar system conditions and strong anthropic principle theory7 of evolution

Ultimate Question of Life, the Universe, and Everything

weak anthropic principle and Light

electromagnetism and interference

Michelson-Morley experiment

Newton’s theory of (particle/corpuscle theory)

photoelectric effect

polarized

refraction

speed of

theory7 of special relativity and wavelength and wave/particle duality wave theory7 Young’s experiment Lithium

in primordial universe Lorentz, Hendrick Antoon

Mathematics development of laws of nature phrased in Matrix, The (film)

Maxwell, James Clerk Mayan people

Mercator projection, world map

Mercury

Meson

Michels on, Albert Miracles

Mo del-dependent realism dualities and

four points of a good model Game of Life and meaning of existence and M-theory and quarks and

subatomic particles and vision and

what happened before the world existed?

Monza, Italy

Moon eclipse of

as gravitational bound system (with earth)

gravity and orbit of

in myth

of other planets

Morley, Edward

M-the о ry

eleven space-time dimensions of as grand design multiple universes and p-branes “why M-theory”

Multiverse concept. See also Universe

Napoleon Bonaparte Neutrino Neutron Newton, Isaac God as Creator and theories of, limitations Newton’s law of gravity Newton’s laws of motion earth’s rotation and macroscopic objects and

the past” and planetary orbits and Newton's rings No-boundary condition Norse mythology

0rsted, Hans Christian

P-brane

Phase

Photoelectric effect Photon

delayed-choice experiments Feynman diagrams and Physics, classical Archimedes and Aristotle and picture of the universe

shortcomings for atomic and subatomic scales of existence

Physics, modern. See also Quantum physics/quantum theories Feynman diagrams, importance of theoretical

Planck’s constant Plato

Pope, Alexander Principle of mediocrity Probability amplitude Protons GUTS and

rate of decay (lifetime)

Psychology

Ptolemy

Pythagoras

Quantum chro mo dynamics (QCD) asymptotic freedom and Quantum electrodynamics (QED) Feynman diagrams Lamb shift and renormalization and sum over histories and Quantum fluctuations Quantum jitters

Quantum physics/quantum theory

alternative histories

atomic, subatomic scales, and

buckyball experiment and determinism and double-slit experiment

for electromagnetism (see a iso quantum

electro dynamics)

electro weak force

Feynman paths

Feynman’s sum over histories

of forces

four classes of known forces gravity, problem of larger objects and

observation of system, and alteration of course

origin of universe as quantum event

the past” and

Planck’s constant

principles of

principles of, and reality

probabilities and

probability amplitude

quantum chro mo dynamics (QCD)

quantum superposition

testing theories

uncertainty principle

wave/particle duality Quantum superposition Quarks

asymptotic freedom baryons and colors

mesons and QCD and

Realism

Reality. See also Mo del-dependent realism anti-realists

classical picture of objective existence

five-dimensional space-time

goldfish bowl example

holographic principle

law of nature and

mo del-dependent realism

multiple histories

objective, question of existence of

the past” and

Ptolemaic model of

quantum physics and

realists

simulated or alternative Reference frames Reflection, law of Ren о rmalizatio n Resonance

Salam, Abdus Schonborn, Christoph Scientific determinism Scientific method Second Life Singularity Soul

pineal gland as seat of Space

curvature/curved spaces

planetary orbits and three dimensions

straws and lines

three dimensions of

warpage by matter and energy

Space-time

cosmological constant

as curved and distorted

as fourth dimension

M-theory's eleven dimensions string theory’s ten dimensions warpage by gravity Standard model Stars. See also Sun explosions (supernova) mass Stoics

Straus, Ernst Strings, law of String theory internal space ten dimensions in Strong anthropic principle Strong nuclear force QCD and

Sum over histories multiverse concept and Sun

Aristarchus and

as center of earth’s planetary system governed by fixed laws life on earth and in myth

solar eclipse

strong nuclear force and

three dimensional space and

wavelengths of radiation

Supergravity theory

Supernova

Supersymmetry

Symmetry

System

observation of, and alteration of course

Tempier of Paris, Bishop Thales of Miletus

Theory of everything. See also Feynman,

Richard (Diet); M-theory

electro weak force

grand unified theories (GUTS)

gravity, problem of

M-theory

quantum chro mo dynamics (QCD) quantum electrodynamics (QED) standard model string theory

Theorv of relativity. See Einstein’s theorv of

relativity Thomson, J. J.

Time. See also Space-time beginning of

clock in airplane experiment

special theory of relativity and

time dilation

warpage of

Triple alpha process

Ultimate Question of Life, the Universe, and Everything. See also Grand design Ultimate theory of everything. See Theory of everything

Uncertainty principle. See Heisenberg

uncertainty principle

Unified theory. See Theory of everything

Universe. See also Creation; Life

age of

alternative histories of

ancient interpretations and celestial predictions balloon universe analogy big bang theory binarv star systems

carbon content

classical picture of

CMBR and

Copernican model of

dimensions of

earth as center of

earth’s planetary system

eccentricity of elliptical orbits

Einstein’s general theory of relativity and

elements in primordial

empty space, impossibility of

episode of inflation

expanding model

Feynman’s sum over histories and

gods as causal in

as God’s dollhouse

grand design

gravity and

helium, lithium, and hydrogen in

human-centered

inflation theory

inhomogeneities in

laws of (see also Laws of nature)

M-theory and

multiple (see also Multiverse concept) multiple-star systems no-boundary condition origin of

phlogiston theory

planetary orbits

planetary systems of

Ptolemaic model of

rejection of indifferent natural laws

size of

size of our galaxy space-time warpage spontaneous quantum creation of stars

static or steady-state theory

Ultimate Question of Life, the Universe, and

Everything

Us slier, Bishop

Vacuum fluctuations Virtual particles Von Neumann, John

Wallace, Alfred Russel

Wavelength radio waves visible X-rays

Wave-particle duality

Wave theory. See also Interference

double-slit experiment

Feynman’s sum over histories and

interference

phase

Weak anthropic principle Weak nuclear force quantum field theory of Weinberg, Steven Wheeler, John “Which-path,: information

Young, Thomas

Zur Elektrodynamik bewegter Korper” (“On the Electrodynamics of Moving Bodies” [Einstein])

Zwicky, Fritz

Каталог: 2016
2016 -> Методические рекомендации по изучению дисциплины «Этнография» Студентам очного отделения бакалавриата Чита 2014 (075. 4)
2016 -> [Оставьте этот титульный лист для дисциплины, закрепленной за одной кафедрой]
2016 -> Диссертация на соискание ученой степени кандидата социально-психологических наук Научный
2016 -> Программа дисциплины «Практическая философия: Что и как определяет человеческие поступки?»
2016 -> Методическое пособие по экономической социальной географии мира 10 класс. М., «Просвещение», 2007 г. Атлас «Экономическая и социальная география мира»
2016 -> Child education Игорь Всеволодович Можейко
2016 -> Область применения и нормативные ссылки


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©znate.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница