Великий замысел - Стивен Хокинг

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.

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 Галилея 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.

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!