The Grand Design-Грандиозный Замысел

(Stephen Hawking)
Грандиозный Замысел
Стивен Хокинг, Леонард Млодинов
Каждый из нас существует лишь короткое время и за это время исследует лишь малую часть всей Вселенной. Но люди — любопытный вид. Мы задаемся вопросами, мы ищем ответы. Живя в этом огромном мире, который попеременно добр и жесток, и взирая на бескрайние небеса, люди всегда задавали множество вопросов: Как мы можем понять мир, в котором находимся? Как ведет себя Вселенная? Какова природа реальности? Откуда все это взялось? Нужен ли Вселенной создатель? Большинство из нас не тратит большую часть времени на размышления об этих вопросах, но почти все мы время от времени задумываемся над ними.
Традиционно это вопросы философии, но философия мертва. Философия не поспевает за современными достижениями науки, особенно физики. Ученые стали носителями факела открытий в нашем стремлении к знаниям. Цель этой книги — дать ответы, которые предлагаются недавними открытиями и теоретическими достижениями. Они приводят нас к новой картине Вселенной и нашего места в ней, которая сильно отличается от традиционной и даже от той картины, которую мы могли бы нарисовать всего десять или двадцать лет назад. Тем не менее, первые наброски новой концепции можно проследить почти на столетие назад.
Согласно традиционной концепции Вселенной, объекты движутся по четко определенным траекториям и имеют определенную историю. Мы можем точно определить их положение в каждый момент времени. Хотя эта модель достаточно успешна для повседневных целей, в 1920-х годах было обнаружено, что эта «классическая» картина не может объяснить кажущееся странным поведение, наблюдаемое на атомном и субатомном уровнях существования. Вместо этого потребовалось принять другую концепцию, называемую квантовой физикой. Квантовые теории оказались удивительно точными в предсказании событий на этих масштабах, а также воспроизводили предсказания старых классических теорий применительно к макроскопическому миру повседневной жизни. Но квантовая и классическая физика основаны на совершенно разных представлениях о физической реальности.
Квантовые теории можно сформулировать по-разному, но, вероятно, наиболее интуитивно понятное описание дал Ричард (Дик) Фейнман, колоритная личность, работавший в Калифорнийском технологическом институте и игравший на бонго в стриптиз-клубе неподалеку. По мнению Фейнмана, система имеет не одну историю, а все возможные истории. В поисках ответов мы подробно объясним подход Фейнмана и применим его для исследования идеи о том, что сама Вселенная не имеет ни одной истории, ни даже независимого существования. Это кажется радикальной идеей даже для многих физиков. Действительно, как и многие представления в современной науке, она, кажется, противоречит здравому смыслу. Но здравый смысл основан на повседневном опыте, а не на Вселенной, которая открывается нам благодаря чудесам технологий, таких как те, которые позволяют нам заглянуть глубоко в атом или вернуться к ранней Вселенной.
До появления современной физики считалось, что все знания о мире можно получить путем прямого наблюдения, что вещи являются тем, чем кажутся, воспринимаемыми нашими органами чувств. Но впечатляющий успех современной физики, основанной на таких концепциях, как концепция Фейнмана, которые противоречат повседневному опыту, показал, что это не так. Поэтому наивный взгляд на реальность несовместим с современной физикой. Для решения подобных парадоксов мы будем использовать подход, который мы называем модельно-зависимым реализмом. Он основан на идее, что наш мозг интерпретирует информацию от наших органов чувств, создавая модель мира. Когда такая модель успешно объясняет события, мы склонны приписывать ей, а также элементам и концепциям, составляющим ее, качество реальности или абсолютной истины. Но могут существовать разные способы моделирования одной и той же физической ситуации, каждый из которых использует различные фундаментальные элементы и концепции. Если две такие физические теории или модели точно предсказывают одни и те же события, нельзя сказать, что одна из них более реальна, чем другая; скорее, мы вольны использовать ту модель, которая наиболее удобна.
В истории науки мы открыли целую последовательность всё более совершенных теорий или моделей, от Платона до классической теории Ньютона и современных квантовых теорий. Естественно задать вопрос: достигнет ли эта последовательность в конечном итоге конечной точки, окончательной теории Вселенной, которая будет включать все силы и предсказывать все наблюдения, которые мы можем сделать, или мы будем продолжать находить лучшие теории, но никогда не найдём такой, которую нельзя будет улучшить? У нас пока нет окончательного ответа на этот вопрос, но теперь у нас есть кандидат на роль окончательной теории всего, если таковая вообще существует, — М-теория. М-теория — единственная модель, обладающая всеми свойствами, которыми, как мы считаем, должна обладать окончательная теория, и именно на этой теории основана большая часть нашего дальнейшего обсуждения.
М-теория — это не теория в обычном смысле слова. Это целое семейство различных теорий, каждая из которых хорошо описывает наблюдения только в определенном диапазоне физических ситуаций. Это немного похоже на карту. Как известно, невозможно отобразить всю поверхность Земли на одной карте. Обычная проекция Меркатора, используемая для карт мира, делает области все больше и больше на крайнем севере и юге и не охватывает Северный и Южный полюса. Чтобы точно отобразить всю Землю, необходимо использовать набор карт, каждая из которых охватывает ограниченный регион. Карты перекрываются, и там, где это происходит, они показывают один и тот же ландшафт. М-теория похожа на это. Различные теории в семействе М-теории могут выглядеть очень по-разному, но все они могут рассматриваться как аспекты одной и той же лежащей в основе теории. Это версии теории, применимые только в ограниченных диапазонах — например, когда определенные величины, такие как энергия, малы. Подобно перекрывающимся картам в проекции Меркатора, где диапазоны разных версий перекрываются, они предсказывают одни и те же явления. Но точно так же, как не существует плоской карты, которая бы хорошо отображала всю поверхность Земли, не существует единой теории, которая бы хорошо отражала наблюдения во всех ситуациях.
Мы опишем, как М-теория может дать ответы на вопрос о сотворении мира. Согласно М-теории, наша вселенная — не единственная. Вместо этого М-теория предсказывает, что множество вселенных было создано из ничего. Их создание не требует вмешательства какого-либо сверхъестественного существа или бога. Скорее, эти множественные вселенные возникают естественным образом из физических законов. Это предсказание науки. Каждая вселенная имеет множество возможных историй и множество возможных состояний в более поздние времена, то есть в такие времена, как настоящее, спустя долгое время после их создания. Большинство из этих состояний будут совершенно непохожи на наблюдаемую нами вселенную и совершенно непригодны для существования какой-либо формы жизни. Лишь очень немногие позволили бы существовать существам, подобным нам. Таким образом, наше присутствие выбирает из этого огромного множества только те вселенные, которые совместимы с нашим существованием. Хотя мы ничтожны и незначительны в масштабах космоса, это в некотором смысле делает нас владыками творения.
Чтобы понять Вселенную на самом глубоком уровне, нам нужно знать не только то, как она себя ведёт, но и почему.

Почему существует нечто, а не ничто?
Зачем мы существуем?
Почему именно этот свод законов, а не какой-либо другой?

Это главный вопрос жизни, Вселенной и всего сущего. В этой книге мы попытаемся на него ответить. В отличие от ответа, данного в «Автостопом по Галактике», наш ответ не будет просто «42»

Волк Сколл, который будет пугать Луну,
пока не улетит в Лес Скорби:
Волчица Хати, родственница Модвитнира,
которая будет преследовать солнце.
—«ГРИМНИСМАЛ», Старшая Эдда

В мифологии викингов Сколл и Хати преследуют солнце и луну. Когда волки ловят одно из них, происходит затмение. В этом случае люди на Земле бросаются на помощь солнцу или луне, создавая как можно больше шума в надежде отпугнуть волков. Подобные мифы существуют и в других культурах. Но со временем люди, должно быть, заметили, что солнце и луна вскоре выходят из затмения, независимо от того, бегают ли они вокруг с криками и стучат по всему подряд. Со временем они также, должно быть, заметили, что затмения происходят не случайно: они повторяются по определенным закономерностям. Эти закономерности были наиболее очевидны для лунных затмений и позволяли древним вавилонянам довольно точно предсказывать лунные затмения, даже несмотря на то, что они не понимали, что они вызваны тем, что Земля блокирует солнечный свет. Солнечные затмения предсказывать было сложнее, потому что они видны только в коридоре на Земле шириной около 30 миль. Тем не менее, после того как закономерности были поняты, стало ясно, что затмения не зависят от произвольных прихотей сверхъестественных существ, а подчиняются законам.
Несмотря на некоторые ранние успехи в предсказании движения небесных тел, большинство явлений природы казались нашим предкам непредсказуемыми. Вулканы, землетрясения, бури, эпидемии и вросшие ногти на ногах — всё это происходило без очевидной причины или закономерности. В древности было естественно приписывать стихийные бедствия пантеону злобных или недоброжелательных божеств. Катастрофы часто воспринимались как знак того, что мы каким-то образом оскорбили богов. Например, примерно в 5600 году до нашей эры произошло извержение вулкана Мазама в Орегоне, в результате которого в течение многих лет выпадали камни и горящий пепел, что привело к многолетним дождям, которые в конечном итоге заполнили вулканический кратер, ныне называемый Кратерным озером. У индейцев кламат из Орегона есть легенда, которая точно соответствует каждой геологической детали этого события, но добавляет немного драматизма, изображая человека как причину катастрофы. Человеческая способность испытывать чувство вины такова, что люди всегда находят способы обвинить себя. Согласно легенде, Ллао, вождь Подземного мира, влюбляется в прекрасную человеческую дочь вождя кламатов. Она отвергает его, и в отместку Ллао пытается уничтожить кламатов огнём. К счастью, по легенде, Скелл, вождь Надземного мира, жалеет людей и вступает в битву со своим подземным двойником. В конце концов, раненый Ллао падает обратно в гору Мазама, оставляя огромную яму — кратер, который в конечном итоге заполняется водой.
Незнание законов природы в древности привело людей к созданию богов, которые, как считалось, господствовали над всеми аспектами человеческой жизни. Существовали боги любви и войны; солнца, земли и неба; океанов и рек; дождя и гроз; даже землетрясений и вулканов. Когда боги были довольны, человечество наслаждалось хорошей погодой, миром и свободой от стихийных бедствий и болезней. Когда же они были недовольны, приходили засуха, войны, эпидемии и чума. Поскольку причинно-следственная связь в природе была невидима для их глаз, эти боги казались непостижимыми, а люди — их милостью. Но с появлением Фалеса Милетского (ок. 624 г. до н.э. — ок. 546 г. до н.э.) около 2600 лет назад ситуация начала меняться. Возникла идея, что природа подчиняется неизменным принципам, которые можно расшифровать. Так начался долгий процесс замены представления о царствовании богов концепцией вселенной, управляемой законами природы и созданной по плану, который мы когда-нибудь научимся читать.
В контексте истории человечества научные исследования представляют собой очень новое направление. Наш вид, Homo sapiens, возник в странах Африки к югу от Сахары около 200 000 лет до нашей эры. Письменность появилась лишь около 7000 года до нашей эры, будучи продуктом обществ, сосредоточенных на выращивании зерновых. (Некоторые из древнейших письменных надписей касаются ежедневной нормы пива, разрешенной каждому гражданину.) Самые ранние письменные записи великой цивилизации Древней Греции датируются IX веком до нашей эры, но расцвет этой цивилизации, «классический период», пришелся на несколько сотен лет позже, незадолго до 500 года до нашей эры. По словам Аристотеля (384 г. до н.э. – 322 г. до н.э.), примерно в это время Фалес впервые выдвинул идею о том, что мир можно понять, что сложные события вокруг нас можно свести к более простым принципам и объяснить без обращения к мифическим или теологическим объяснениям.
Фалесу приписывают первое предсказание солнечного затмения в 585 году до н.э., хотя высокая точность его предсказания, вероятно, была случайной удачей. Он был загадочной фигурой, не оставившей после себя собственных письменных работ. Его домом был один из интеллектуальных центров региона, называемого Ионией, который был колонизирован греками и оказал влияние, в конечном итоге распространившееся от Турции на запад до Италии. Ионическая наука отличалась сильным интересом к раскрытию фундаментальных законов для объяснения природных явлений, что стало огромной вехой в истории человеческих идей. Их подход был рациональным и во многих случаях приводил к выводам, удивительно похожим на то, к чему нас сегодня приводят более сложные методы. Это представляло собой грандиозное начало. Но на протяжении веков большая часть ионической науки была забыта — лишь для того, чтобы быть заново открытой или переосмысленной, иногда не один раз.
Согласно легенде, первая математическая формулировка того, что мы сегодня могли бы назвать законом природы, восходит к ионийцу по имени Пифагор (ок. 580 г. до н.э. – ок. 490 г. до н.э.), известному своей теоремой, названной в его честь: квадрат гипотенузы (самой длинной стороны) прямоугольного треугольника равен сумме квадратов двух других сторон. Считается, что Пифагор открыл численную зависимость между длиной струн, используемых в музыкальных инструментах, и гармоническими сочетаниями звуков. На современном языке мы бы описали эту зависимость так: частота — число колебаний в секунду — струны, вибрирующей под постоянным натяжением, обратно пропорциональна длине струны. С практической точки зрения это объясняет, почему у бас-гитар должны быть более длинные струны, чем у обычных гитар. Пифагор, вероятно, на самом деле не открыл это — он также не открыл теорему, носящую его имя, — но есть свидетельства того, что некоторая зависимость между длиной струны и высотой звука была известна в его время. Если это так, то эту простую математическую формулу можно назвать первым примером того, что мы сейчас знаем как теоретическую физику.
Помимо пифагорейского закона струн, единственными законами физики, достоверно известными древним, были три закона, подробно изложенные Архимедом (ок. 287 г. до н.э. – ок. 212 г. до н.э.), безусловно, самым выдающимся физиком древности. В современной терминологии закон рычага объясняет, что малые силы могут поднимать большие грузы, потому что рычаг усиливает силу в соответствии с отношением расстояний от точки опоры рычага. Закон плавучести гласит, что любой объект, погруженный в жидкость, будет испытывать восходящую силу, равную весу вытесненной жидкости. А закон отражения утверждает, что угол между лучом света и зеркалом равен углу между зеркалом и отраженным лучом. Но Архимед не называл их законами и не объяснял их со ссылкой на наблюдения и измерения. Вместо этого он рассматривал их как чисто математические теоремы в аксиоматической системе, подобной той, которую Евклид создал для геометрии.
По мере распространения ионийского влияния появились и другие, кто увидел, что Вселенная обладает внутренним порядком, который можно понять посредством наблюдения и разума. Анаксимандр (ок. 610 г. до н.э. – ок. 546 г. до н.э.), друг и, возможно, ученик Фалеса, утверждал, что, поскольку младенцы беспомощны при рождении, если бы первый человек каким-то образом появился на Земле младенцем, он бы не выжил. Возможно, это было первое представление человечества об эволюции, и Анаксимандр рассуждал, что люди, следовательно, должны были произойти от других животных, детеныши которых более выносливы. На Сицилии Эмпедокл (ок. 490 г. до н.э. – ок. 430 г. до н.э.) наблюдал использование инструмента, называемого клепсидрой. Иногда используемая как черпак, она представляла собой сферу с открытым горлышком и небольшими отверстиями в дне. При погружении в воду она наполнялась, и если открытое горлышко затем закрывали, клепсидру можно было вынуть, не опасаясь, что вода выльется через отверстия. Эмпедокл заметил, что если закрыть горлышко перед погружением, клепсидра не наполнится водой. Он предположил, что нечто невидимое препятствует проникновению воды в сферу через отверстия — он открыл вещество, которое мы называем воздухом.
Примерно в то же время Демокрит (ок. 460 г. до н.э. – ок. 370 г. до н.э.), живший в ионийской колонии на севере Греции, размышлял о том, что происходит, когда предмет разламывают или разрезают на части. Он утверждал, что этот процесс не должен продолжаться бесконечно. Вместо этого он постулировал, что всё, включая все живые существа, состоит из фундаментальных частиц, которые нельзя разрезать или разбить на части. Он назвал эти фундаментальные частицы атомами, от греческого прилагательного, означающего «неразрезаемый». Демокрит считал, что каждое материальное явление является продуктом столкновения атомов. По его мнению, названному атомизмом, все атомы движутся в пространстве и, если их не потревожить, движутся вперёд бесконечно. Сегодня эта идея называется законом инерции.
Революционная идея о том, что мы всего лишь обычные обитатели Вселенной, а не особые существа, отличающиеся тем, что находимся в её центре, впервые была выдвинута Аристархом (ок. 310 г. до н.э. – ок. 230 г. до н.э.), одним из последних ионийских учёных. Сохранился лишь один из его расчётов – сложный геометрический анализ тщательных наблюдений за размером земной тени на Луне во время лунного затмения. На основании полученных данных он пришёл к выводу, что Солнце должно быть намного больше Земли. Возможно, вдохновлённый идеей о том, что крошечные объекты должны вращаться вокруг гигантских, а не наоборот, он стал первым, кто утверждал, что Земля не является центром нашей планетной системы, а скорее, она и другие планеты вращаются вокруг гораздо большего Солнца. От осознания того, что Земля – всего лишь ещё одна планета, до идеи о том, что и наше Солнце не является чем-то особенным, – всего лишь небольшой шаг. Аристарх подозревал, что это так, и считал, что звёзды, которые мы видим на ночном небе, на самом деле являются не чем иным, как далёкими солнцами.
Ионийцы были лишь одной из многих школ древнегреческой философии, каждая из которых имела свои собственные, зачастую противоречивые традиции. К сожалению, ионийское представление о природе — о том, что её можно объяснить общими законами и свести к простому набору принципов — оказало сильное влияние лишь на несколько столетий. Одна из причин заключается в том, что в ионийских теориях часто, казалось, не было места для понятия свободы воли или цели, а также для концепции вмешательства богов в устройство мира. Эти упущения были поразительными и глубоко тревожили многих греческих мыслителей, как и многих людей сегодня. Философ Эпикур (341 г. до н.э. — 270 г. до н.э.), например, выступал против атомизма на том основании, что «лучше следовать мифам о богах, чем стать „рабом“ судьбы натурфилософов». Аристотель также отвергал концепцию атомов, потому что не мог принять тот факт, что люди состоят из бездушных, неодушевленных предметов. Ионическая идея о том, что Вселенная не является человекоцентричной, стала важной вехой в нашем понимании космоса, но от этой идеи отказались и не получили дальнейшего развития, или широкого признания, до Галилео, почти двадцать веков спустя.
Как бы ни были проницательны некоторые из их рассуждений о природе, большинство идей древних греков не выдержали бы проверки в качестве достоверной науки в наше время. Во-первых, поскольку греки не изобрели научный метод, их теории не разрабатывались с целью экспериментальной проверки. Поэтому, если один ученый утверждал, что атом движется по прямой линии до столкновения со вторым атомом, а другой — что он движется по прямой линии до столкновения с циклопом, объективного способа разрешить спор не существовало. Кроме того, не было четкого различия между человеческими и физическими законами. Например, в V веке до н.э. Анаксимандр писал, что все вещи возникают из первичной субстанции и возвращаются к ней, чтобы не «заплатить штраф и наказание за свое беззаконие». А по словам ионийского философа Гераклита (ок. 535 г. до н.э. — ок. 475 г. до н.э.), солнце ведет себя так, потому что иначе богиня справедливости будет преследовать его. Несколько сотен лет спустя стоики, школа греческих философов, возникшая примерно в III веке до нашей эры, действительно проводили различие между человеческими законами и законами природы, но они включали в категорию законов природы правила человеческого поведения, которые они считали универсальными, такие как почитание Бога и послушание родителям. Напротив, они часто описывали физические процессы в юридических терминах и считали, что они нуждаются в применении, даже несмотря на то, что объекты, которые должны «подчиняться» этим законам, были неодушевленными. Если вам кажется сложным заставить людей соблюдать правила дорожного движения, представьте, как трудно убедить астероид двигаться по эллипсу.

-10 стр.-104 стр.
~