На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Аманда Гефтер

Когда потеплело, я проводила вторую половину дня, сидя на крыльце с Кэссиди – моим черным лабрадором, купаясь в солнечных лучах, размышляя о реальности и готовясь к встрече с Фотини Маркопулу.

Я знала, что физикам нужна теория квантовой гравитации, поскольку общая теория относительности и квантовая механика не могли мирно сосуществовать в одной Вселенной. Но что именно сделало их столь безнадежно несовместимыми? Куда бы я ни посмотрела, я везде находила только технические тонкости: мир теории относительности – непрерывный, квантовый мир – дискретный; в теории относительности положение в пространстве-времени точно определено, а в квантовой теории – размыто. Это были препятствия, конечно, но не принципиально непреодолимые. Это было похоже на то, как если бы теория относительности предпочитала шоколад, а квантовая теория – ваниль. То есть совсем не так, как если бы теория относительности была протестантом, а квантовая теория – уткой.

Теория относительности, по сути, говорит о том, что такое пространство и время для разных наблюдателей. Все началось с простого вопроса, который сводил с ума шестнадцатилетнего Альберта Эйнштейна. Как будет выглядеть луч света для наблюдателя, перемещающегося со скоростью света вдоль этого луча? Будет ли он находиться в состоянии покоя, так же как автомобиль на соседней полосе выглядит стоящим на месте, если вы едете вместе с ним в одном направлении и с точно такой же скоростью? В уравнениях Джеймса Клерка Максвелла электромагнитные волны, иначе известные как свет, всегда распространяются с одной и той же скоростью – 186 000 миль в секунду (или 300 000 км/с). Эйнштейн сразу увидел проблему. Для наблюдателя, перемещающегося со скоростью 186 000 миль в секунду, скорость света упадет до нуля. И что тогда? Электромагнетизм перестанет существовать? Вселенная закончится? Эйнштейн понял: чтобы во Вселенной не произошло светопреставление и чтобы законы электромагнетизма в равной степени действовали для любого наблюдателя, не должно существовать системы отсчета, в которой бы свет остановился. Такое возможно только в том случае, если для любого наблюдателя свет распространяется с постоянной скоростью 186 000 миль в секунду, независимо от того, как быстро движется сам наблюдатель относительно света. Неважно, насколько быстро вы передвигаетесь, – вы никогда не сможете поймать луч света. Даже если вы перемещаетесь с высокой скоростью вдоль светового луча, все равно световой поток будет неумолимо удаляться все с той же скоростью 186 000 миль в секунду. Горизонт отступает так же быстро, как вы приближаетесь.

Насколько безумно это звучит, не сразу заметишь. Скорость определяется пространством, которое что-либо пересекает за определенное время. Чтобы свет всегда двигался с одной и той же скоростью независимо от того, как быстро перемещается наблюдатель, пространство и время по отдельности должны изменяться от наблюдателя к наблюдателю. Общее расстояние в пространстве и времени в сочетании остается же для каждого наблюдателя постоянным – объединенное четырехмерное пространство-время, которое наблюдатели бороздят в различных направлениях, выбирая, какие координаты назвать пространством, а какие – временем, в соответствии с их индивидуальными точками зрения.

Эйнштейн знал, что должен существовать какой-то способ преобразования от одной точки зрения к другой, некоторое предписание, которое дает возможность представить, как одно и то же пространство-время выглядит для разных наблюдателей, поскольку, предположительно, есть только одна Вселенная. Когда он нашел такое предписание, он назвал его специальной теорией относительности. Специальной – потому что она работает только при условии равномерного и прямолинейного движения наблюдателей относительно друг друга. Эта теория ничего не говорила о неравномерно перемещающихся наблюдателях или наблюдателях, двигающихся с ускорением. Из нее следует, что тот парень, который едет по Бедфорд-авеню с постоянной скоростью, окажется совсем в другой вселенной, чем тот парень, который разгоняет свой автомобиль рядом с ним, хотя оба находятся в Бруклине.

Для Эйнштейна это было почти трагедией. Он свято верил, что истинная природа Вселенной не зависит от произвольного выбора координат, что реальность едина, объединяя все наши частные точки зрения, что существует способ увидеть мир таким, каков он в действительности есть, сам по себе, независимо от того, кто на него смотрит и как при этом движется. Он отчаянно пытался слой за слоем снять с мира кожуру ложных представлений и добраться до истины, которая находится под ней. Для этого было необходимо найти способ, с помощью которого можно перейти от того, что видит инерциальный наблюдатель, к тому, что видит наблюдатель, движущийся с ускорением. Эта задача привела Эйнштейна к созданию его шедевра – общей теории относительности.

Я мысленно вернулась в ту ночь, когда общая теория относительности наконец обрела для меня смысл. Я тогда еще училась в школе. Поздней ночью мы сидели за кухонным столом с отцом. Это был один из тех редких моментов, когда что-то в мозгу щелкает, и все вокруг изменяется навсегда.

До того я читала обычные объяснения. Что постоянством скорости света пространство и время сшиты вместе в четырехмерный пространственно-временной континуум. Что массы или энергии в этом пространстве-времени вызывают деформацию его метрических свойств, определяют ландшафт склонов и долин, который мы называем гравитационным полем. Что то, что предстает перед нами как сила тяжести, в действительности является скрытой геометрией пространства.

Итак, гравитация – это не сила, это искривление пространства-времени. Все это говорят. Но я не вижу, в чем здесь суть. Конечно, «искривление пространства-времени» звучит загадочно и таинственно, как и «гравитационные силы». Это было как замена одного фантома на другой.

– Взгляни на это с другой стороны, – сказал отец, открыв чистый лист бумаги в одном из желтых блокнотов, которые всегда лежали у нас на письменном столе.

– Вот диаграмма Вселенной, – он начертил прямым углом систему координат, где вертикальной осью обозначалось время, а горизонтальной – пространство.

– Вот тут, – он провел рукой по чистому полю внутри нарисованного угла, обрамленного осями координат, – четырехмерный пространственно-временной континуум. Предположим, я двигаюсь сквозь пространство-время с постоянной скоростью. Это – я.

Он провел прямую линию по диагонали:

– А ты двигаешься с какой-то другой, но тоже постоянной скоростью, вот здесь.

Он провел вторую прямую линию немного под другим углом.

– Но мы оба наблюдаем один и тот же мир. Он может выглядеть по-разному для каждого из нас, мы каждый по-своему измеряем расстояния и время, и то, что выглядит пространством для тебя, может выглядеть как время для меня… но, в конечном счете, это же просто один мир, который описывается с двух различных точек зрения, верно? Так, специальная теория относительности дает уравнения, которые позволяют поворачивать мой путь в пространстве-времени, пока он не совпадет с твоим. Это преобразования Лоренца. Ты можешь вращать систему координат до тех пор, пока одна линия идеально не совпадет с другой. Это говорит о том, что мы наблюдаем один и тот же мир.

– Ладно, – сказала я.

Было любопытно посмотреть, к чему он клонит.

Он перевернул лист желтой бумаги и быстро начертил новые оси координат.

– Итак, я снова здесь, – сказал он, проводя прямую под углом. – Но ты на этот раз двигаешься с ускорением. Мировая линия ускоренного движения в координатах пространства-времени изогнута, потому что ты проходишь все бо́льшие расстояния за все меньшее время.

Он нарисовал кривую линию, которая устремилась вверх к правому углу страницы.

– Теперь представь себе, как повернуть кривую, чтобы она совпала с моей прямой линией.

Я на минуту задумалась:

– Это невозможно, – сказала я. – Кривая никогда не сможет совпасть с прямой линией.

– Но это возможно, – возразил он. – Эйнштейн знал, что должна существовать такая возможность, потому что есть только одна Вселенная. Если мы не можем получить из кривой прямую, это означает, что мы с тобой видим совершенно разные миры только потому, что я двигаюсь с постоянной скоростью, а ты с ускорением.

– Эйнштейн открыл, как можно кривую линию преобразовать в прямую?

– Ага. – Отец посмотрел на меня, ухмыляясь. – Сверни лист бумаги.

Вдруг все прояснилось. Это было как озарение. Где-то хор пел «Аллилуйя!» Согнуть бумагу! Если вы свернете лист бумаги так, как нужно, вы можете превратить кривую линию в прямую. Гравитация эквивалентна сворачиванию листа бумаги. Общая теория относительности одновременно чрезвычайно глубока и невероятно проста – классический случай нестандартного мышления.

– Этот Эйнштейн был какой-то дьявольский гений, да? – спросила я.