Коротка історія часу та всесвіту. Коротка історія часу

Стівен Хокінг, Леонард Млодінов

Найкоротша історія часу

Передмова

Усього чотири літери відрізняють назву цієї книги від заголовка тієї, що була вперше опублікована 1988 року. «Коротка історія часу» 237 тижнів залишалася у списку бестселерів лондонської «Санді таймс», кожен 750-й житель нашої планети, дорослий чи дитина, придбав її. Чудовий успіх для книги, присвяченої найскладнішим проблемам сучасної фізики. Втім, це не тільки найскладніші, а й найбільш хвилюючі проблеми, бо вони адресують нас до фундаментальних питань: що нам дійсно відомо про Всесвіт, як ми здобули це знання, звідки походить Всесвіт і куди рухається? Ці питання становили головний предмет «Короткої історії часу» і стали фокусом цієї книги. Через рік після публікації «Короткої історії часу» почали надходити відгуки від читачів різного віку та професій з усього світу. Багато хто з них висловлював побажання, щоб побачила світ нова версія книги, яка, зберігши суть «Короткої історії часу», пояснювала б найбільш важливі поняття більш просто та цікаво. Хоча дехто, мабуть, очікував, що це буде «Велика історія часу», відгуки читачів недвозначно показували: дуже мало хто з них бажає познайомитися з об'ємним трактатом, що викладає предмет на рівні університетського курсу космології. Тому, працюючи над «Найкоротшою історією часу», ми зберегли і навіть розширили основну суть першої книги, але постаралися в той же час залишити її обсяг і доступність викладу незмінними. Це й справді найкоротшаісторія, оскільки деякі суто технічні аспекти нами опущені, проте, як нам здається, цей прогалину з лишком заповнений більш глибоким трактуванням матеріалу, який справді становить серцевину книги.

Ми також скористалися можливістю оновити відомості та включити до книги новітні теоретичні та експериментальні дані. "Найкоротша історія часу" описує прогрес, якого було досягнуто на шляху створення повної об'єднаної теорії останнім часом. Зокрема, вона стосується нових положень теорії струн, корпускулярно-хвильового дуалізму і виявляє зв'язок між різними фізичними теоріями, що свідчить, що об'єднана теорія існує. Що ж до практичних досліджень, книга містить важливі результати останніх спостережень, отриманих, зокрема, за допомогою супутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer – «Дослідник фонового космічного випромінювання») та космічного телескопа Хаббла.

Глава перша

Розмірковуючи про всесвіт

Ми живемо в дивному та чудовому Всесвіті. Неординарна уява потрібна, щоб оцінити вік її, розміри, шаленство і навіть красу. Місце, яке займають люди в цьому безмежному космосі, може здатися нікчемним. І все ж таки ми намагаємося зрозуміти, як влаштований весь цей світ і як ми, люди, виглядаємо в ньому.

Кілька десятиліть тому відомий вчений (деякі кажуть, що це був Бертран Рассел) виступав із публічною лекцією з астрономії. Він розповів, що Земля звертається навколо Сонця, а воно, у свою чергу, - навколо центру великої зіркової системи, яка називається нашою Галактикою. Наприкінці лекції маленька літня леді, що сиділа в задніх рядах, встала і заявила:

Ви розповідали нам тут повну нісенітницю. Насправді світ - це плоска плита, що лежить на спині гігантської черепахи.

Усміхнувшись із почуттям переваги, вчений запитав:

А на чому стоїть черепаха?

Ви дуже розумний юнак, дуже, - відповіла стара леді. - Вона стоїть на іншій черепасі, і так далі, до нескінченності!

Сьогодні більшість людей знайшла б досить смішний таку картину Всесвіту, цю нескінченну вежу з черепах. Але що змушує нас думати, що ми знаємо більше?

Забудьте на хвилину те, що ви знаєте – чи думаєте, що знаєте – про космос. Придивіться в нічне небо. Чим видаються вам всі ці крапки, що світяться? Може це крихітні вогники? Нам важко здогадатися, чим вони насправді є, тому що ця дійсність надто далека від нашого повсякденного досвіду.

Якщо ви часто спостерігаєте за нічним небом, то, ймовірно, помічали в сутінках над горизонтом іскорку світла. Це Меркурій, планета, яка разюче відрізняється від нашої власної. Доба на Меркурії триває дві третини року. На сонячному боці температура зашкалює за 400°С, а глибокої ночі падає майже до -200°С.

Але як би не відрізнявся Меркурій від нашої планети, ще важче уявити звичайну зірку - колосальне пекло, яке щомиті спалює мільйони тонн речовини і розігріте в центрі до десятків мільйонів градусів.

Інша річ, яка важко укладається в голові, це відстані до планет і зірок. Стародавні китайці будували кам'яні вежі, щоб побачити їх ближче. Цілком природно вважати, що зірки та планети знаходяться набагато ближче, ніж насправді, - адже у повсякденному житті ми ніколи не стикаємося з величезними космічними відстанями.

Відстань ці настільки великі, що немає сенсу виражати їх у звичних одиницях - метрах чи кілометрах. Замість них використовуються світлові роки (світловий рік – шлях, який світло проходить за рік). За одну секунду промінь світла долає 300 000 кілометрів, тому світловий рік - це дуже велика відстань. Найближча до нас (після Сонця) зірка – Проксима Центавра – видалена приблизно на чотири світлові роки. Це так далеко, що найшвидший із проектованих нині космічних кораблів летів би до неї близько десяти тисяч років. Ще в давнину люди намагалися осягнути природу Всесвіту, але вони не мали можливостей, які відкриває сучасна наука, зокрема математика. Сьогодні ми маємо потужні інструменти: розумові, такі як математика і науковий метод пізнання, і технологічні, на кшталт комп'ютерів і телескопів. З їхньою допомогою вчені зібрали воєдино величезну кількість відомостей про космос. Але що ми дійсно знаємо про Всесвіт і як ми це дізналися? Звідки вона постала? У якому напрямі розвивається? Чи мала початок, а якщо мала, що було донього? Яка природа часу? Чи прийде йому кінець? Чи можна повернутись назад у часі? Нещодавні великі фізичні відкриття, зроблені частково завдяки новим технологіям, пропонують відповіді деякі з цих давніх питань. Можливо, колись ці відповіді стануть настільки ж очевидними, як звернення Землі навколо Сонця, - чи, можливо, настільки ж курйозними, як вежа з черепах. Тільки час (хоч би воно було) це покаже.

Британський вчений Стівен Хокінг, відомий як найяскравіша зірка у сучасній астрофізиці, помер у віці 76 років.

Хокінг належить до вчених, які зробили найбільший вплив на сучасне розуміння Всесвіту своїм вивченням чорних дірок та науково-популярними творами, такими як «Коротка історія часу». Народжений 1942 р., британець вважався одним із найбільших умів у світі і, на думку деяких, був найвідомішим ученим у сучасному світі. Для інших учених він був символом необмежених здібностей людського розуму.

«Його відхід залишив інтелектуальний вакуум. Але він не пустий. Думайте про це як свого роду енергії, що проникає у тканину простору-часу, який не піддається виміру» , написав у твіттері всесвітньо відомий астрофізик та науковий автор Ніл Деграсс Тайсон.

У віці 21 року професору Хокінгу діагностували рідкісну форму хвороби моторних нейронів, і лікарі відводили йому лише кілька років життя. Його захворювання, проте, розвивалося надзвичайно повільно, завдяки чому він працював понад півстоліття, будучи прикутим до інвалідного візка. Фактично Хокінг був медичним дивом – лише 5 відсотків людей, які мають таку форму хвороби, живуть понад десять років після встановлення діагнозу, а він жив із нею понад п'ять десятиліть. Він сам говорив, що його фізичний стан був істотною перешкодою для його наукової роботи у сфері теоретичної фізики і навіть у певному сенсі допомагало йому.

Хокінг втратив голос після важкої пневмонії та ускладнень. Якийсь час єдиним для нього способом спілкування була вимова слів буквально за буквами, піднімаючи брови, коли хтось вказував на правильну букву на спеціальній картці. Пізніше комп'ютерний експерт із Каліфорнії на ім'я Уолт Уолтоу відправив йому свою комп'ютерну програму під назвою «Еквалайзер», за допомогою якої професор міг вибирати слова з меню на екрані, керованому кнопкою в руці. Це, разом із синтезатором промови, стало «електронним» голосом – торгової маркою Хокинга.

Хвороба не заважала його особистому життю. У 1965 р. він одружився зі своїм юнацьким коханням Джейн Уайлд, хоча на той момент йому вже було поставлено страшний діагноз. Їхній шлюб тривав 26 років і закінчився непорозумінням, але Хокінг став батьком трьох дітей.

У 1995 р. він уклав свій другий шлюб з Елейн Мейсон, медсестрою, яка дбала про нього. Вони залишалися разом до 2006 року.
Хокінг зі своєю другою дружиною Елейн Мейсон

Британський вчений був відомий своєю роботою над чорними дірками і відносністю, і належить до вчених, які найбільше вплинули на сучасне розуміння Всесвіту.

У віці 17 років Хокінг отримав місце в Оксфорді. У 1971 р. разом із сером Роджером Пенроузом вони дали математичне обґрунтування, що підкріплює теорію Великого вибуху: вони показали, що якщо теорія відносності вірна, то у просторі-часі має існувати точка червоточини. Вони також створили теорію Хокінга-Пенроуза про ранній розвиток Всесвіту після Великого вибуху та його експоненційне розширення після стану з набагато більш високою температурою та щільністю.
Хокінг вважав, що майбутнє людського вигляду перебуває у космосі.

Хокінг також припускав, що одразу після Великого вибуху утворилися первинні чорні дірки, які майже миттєво випарувалися. Пізніше він виявив, що чорні дірки випромінюють енергію та випаровуються – явище, яке пізніше стало відоме як «Випромінювання Хокінга».

Протягом багатьох років він працював над іншими теоріями про чорні діри, у тому числі про те, що через них можливий перехід до інших Всесвітів.

На початку 80-х він висунув припущення, що, хоча Всесвіт не має меж, він має кінцевий розмір у просторі-часі. Математичне підтвердження цієї теорії було дано трохи пізніше. За його словами, Всесвіт безмежний, але кінцевий.

Робота Стівена Хокінга в галузі астрофізики ставить його до лав найпрестижніших учених у сучасному світі. Він був удостоєний 12 почесних титулів, ордену Британської імперії та Президентської медалі Свободи США. Протягом 30 років він був Лукасівським професором математики Кембриджського університету – посаду, яку обіймав Ісаак Ньютон та інші відомі вчені. Хоча у 2009 році Хокінг пішов у відставку, він продовжував працювати в університеті. Барак Обама вручає Хокінгу американську президентську медаль свободи

Його праці з популяризації науки принесли йому популярність і славу. Книга «Коротка історія часу», видана 1988 року, була бестселером у рейтингу «Санді таймс» протягом 237 тижнів – майже п'ять років – з понад 10 мільйонами копій та перекладом на десятки мов. Книга описує зрозумілою мовою структуру, походження та розвиток Всесвіту, досліджуючи такі явища, як Великий вибух та основи квантової механіки.

В інтерв'ю для New Scientist незадовго до свого 70-річчя фізик сказав, що одним із найбільших досягнень фізики в його кар'єрі було відкриття супутником COBE малих варіацій температури реліктового випромінювання (космічного мікрохвильового фону), що залишилися після Великого вибуху.

Хокінг вірив, що майбутнє людського вигляду перебуває у космосі. Він неодноразово заявляв, що люди не виживуть, якщо залишатимуться лише на Землі через наш інвазивний характер.

Його унікальне життя неодноразово привертало увагу документалістів та кінорежисерів, а у 2014 р. про нього було знято біографічний фільм «Всесвіт Стівена Хокінга» з Едді Редмейном у ролі Хокінга. Крім того, вчений з'явився у кількох телевізійних шоу, у тому числі The Simpsons, Red Dwarf та The Big Bang Theory.
На прем'єрі біографічного фільму «Всесвіт Стівена Хокінга»

Окрім наукової роботи Хокінг також був відомий своїми далекоглядними висловлюваннями. Ось деякі з них:

Моя мета проста. Це повне розуміння всесвіту, чому він такий, який є, і чому він існує взагалі.
На мій погляд, мозок – це комп'ютер, який перестає працювати, коли його компоненти виходять із ладу. Немає раю або потойбіччя для зламаних комп'ютерів; це казкова історія для людей, які бояться темряви.
Я вважаю, що найпростіше пояснення, що Бога немає. Ніхто не створив Всесвіт і ніхто не керує нашою долею. Це призводить мене до глибокого усвідомлення того, що, мабуть, немає ні раю, ні потойбіччя. У нас є одне життя, щоб оцінити великий дизайн Всесвіту, і за це я дуже вдячний.
Не забувайте дивитись на зірки, а не під ноги.
Життя було б трагічним, якби не було смішним.
Мої очікування були зведені нанівець, коли мені був 21 рік. Усе відтоді стало бонусом.
Люди, які хвалиться своїм рівнем інтелекту, – невдахи.
Ми лише прогресивний вид мавп на маленькій планеті дуже маленької зірки. Але ми можемо зрозуміти всесвіт. Це перетворює нас на щось особливе.

Мітки: ,

Про що "Коротка історія часу" Стівена Хокінга

З відкритих джерел

Сьогодні, 14 березня, на 77-му році життя помер знаменитий англійський фізик-теоретик Стівен Хокінг. сайт публікує конспект його науково-популярної книги "Коротка історія часу: Від Великого вибуху до чорних дірок" (1988), яка стала бестселером

Книга видатного англійського фізика Стівена Хокінга "Коротка історія часу: від Великого вибуху до чорних дірок" присвячена пошуку відповіді на запитання Ейнштейна: "Який вибір був у Бога, коли він творив Всесвіт?" Будучи попередженим, що кожна включена в книгу формула вдвічі зменшить кількість покупців, Хокінг доступною мовою викладає ідеї квантової теорії гравітації - поки що не завершеної області фізики, що поєднує в собі загальну теорію відносності і квантову механіку.

Починається книга з розповіді про еволюцію людських уявлень про Всесвіт: від небесних сфер геоцентричної системи Аристотеля і Птолемея до усвідомлення того факту, що Сонце є звичайною жовтою зіркою середньої величини в одному з рукавів спіральної галактики - серед сотень мільярдів інших галактик у частині Всесвіту, що спостерігається. Відкриття червоного зміщення спектрів зірок інших галактик означало, що Всесвіт розширюється, і це призвело до гіпотези великого вибуху: десять чи двадцять мільярдів років тому всі об'єкти Всесвіту могли знаходитися в одному місці з нескінченно великою густиною (точка сингулярності).

Новини на цю тему

Великий вибух є початком відліку часу. На питання про те, що було до Великого вибуху, відповіді не існує, тому що у точці сингулярності перестають працювати наукові закони; можливість передбачати майбутнє втрачається, і тому якщо щось і відбувалося "до", воно ніяк не вплине на нинішні події. Після Великого вибуху можливі два сценарії: або розширення Всесвіту триватиме вічно, або в якийсь момент припиниться і перейде у фазу стиснення, яка закінчиться поверненням у сингулярність - Великою бавовною. Який саме варіант здійсниться, неясно – це залежить від відстаней між галактиками та сумарної маси речовини Всесвіту, а ці величини точно не відомі.

Сингулярності можуть бути у Всесвіті та після Великого вибуху. Зірка, витративши ядерне паливо, починає стискатися, і за досить великої маси неспроможна протистояти гравітаційному колапсу, перетворюючись на чорну діру. Так ось, англійський математик і фізик Роджер Пенроуз показав, що обсяг зірки при цьому прагне нуля, а щільність її речовини і кривизна простору-часу - до нескінченності. Іншими словами, чорна дірка є сингулярністю у просторі-часі.

Звернувши напрямок часу, Пенроуз і Хокінг довели твердження, що й вірна загальна теорія відносності (ОТО), то точка Великого вибуху має існувати. Так гіпотеза великого вибуху стала математичною теоремою, а сама ВТО виявилася неповною: її закони порушуються у точці сингулярності. Це не дивно – адже ОТО є класичною теорією, а в малій області простору поблизу сингулярності стають суттєвими квантові ефекти. Таким чином, для дослідження чорних дірок та раннього Всесвіту потрібно залучення квантової механіки та створення єдиної теорії – квантової теорії гравітації.

Займаючись явищами мікросвіту, квантова механіка розвивалася незалежно від ВТО. У квантовій фізиці накопичився певний досвід поєднання різних типів взаємодій. Так, вдалося об'єднати в одну теорію електромагнітні та слабкі взаємодії. Саме, виявилося, що переносники електромагнітної взаємодії (віртуальні фотони) і переносники слабкої взаємодії (векторні бозони) є реалізаціями однієї частки і стають невідмінними один від одного за енергій близько 100 ГеВ. Існують і теорії великого об'єднання, тобто об'єднання електрослабкої та сильної взаємодій (щоправда, для досягнення енергій великого об'єднання та перевірки цих теорій потрібен прискорювач розміром із Сонячну систему).

Всі ці теорії не включають гравітацію, оскільки дуже мала для елементарних частинок. Однак у точці сингулярності гравітаційні сили разом із кривизною простору-часу прагнуть нескінченності, отже спільний облік квантовомеханічних і гравітаційних ефектів стає неминучим. Це призводить до наступних дивовижних результатів.

За теоремою Пенроуза-Хокінга падіння в чорну дірку необоротне. Але, як відомо, будь-який незворотний процес супроводжується зростанням ентропії. Чи є ентропія у чорної дірки?

Хокінг зауважує, що площа горизонту подій чорної дірки не зменшується з часом (а при падінні речовини в чорну дірку - збільшується), тобто має всі властивості ентропії. Його американський колега Бікенстин пропонує вважати площу горизонту подій чорної діри мірою її ентропії. Хокінг заперечує: володіючи ентропією, чорна діра повинна мати температуру і, отже, випромінювати - всупереч самому визначенню чорної діри! - але згодом сам відкриває механізм цього випромінювання.

Джерелом випромінювання виявляється вакуум поблизу чорної діри, в якому через квантові флуктуації енергії народжуються пари частка-античастка. Один із членів пари має позитивну енергію, інший - негативну (так що сума дорівнює нулю); частка з негативною енергією може впасти в чорну дірку, а частка з позитивною енергією - залишити її околицю. Потік частинок позитивної енергії є випромінювання чорної діри; частинки ж з негативною енергією зменшують її масу - чорна дірка "випаровується" і з часом зникає, несучи із собою сингулярність. У цьому Хокінг бачить першу вказівку на можливість усунення сингулярностей ОТО за допомогою квантової механіки і задається питанням: чи вплине квантова механіка аналогічний вплив на "великі" сингулярності, тобто чи усуне квантова механіка сингулярності Великого вибуху і Великої бавовни?

Новини на цю тему

Класична загальна теорія відносності не залишає вибору: Всесвіт, що розширюється, народжується з сингулярності, причому початкові умови невідомі (ОТО не працює в "момент творіння"). У початковий момент Всесвіт міг бути впорядкованим і однорідним, а міг бути і досить хаотичною. Подальший процес еволюції, однак, істотно залежить від умов цього кордону простору-часу. Використовуючи метод Фейнмана, підсумовування за різними "траєкторіями" розвитку Всесвіту, Хокінг у рамках квантової теорії гравітації отримує альтернативу сингулярності: простір-час є кінцевим і не має сингулярності у вигляді кордону або краю (це схоже на поверхню Землі, але лише у чотирьох вимірах) . А якщо немає кордону, відпадає й необхідність у початкових умовах на ній, тобто немає потреби вводити нові закони, що задають поведінку раннього Всесвіту (або вдаватися до допомоги Бога). Тоді Всесвіт "... не було б створено, його не можна було б знищити. Вона просто існувала б".

Тема Бога присутня протягом усієї книги; по суті Хокінг веде дискусію з Богом. Наведемо цитату, яка підбиває свого роду підсумок цієї дискусії.

"З уявлення про те, що простір і час утворюють замкнуту поверхню, випливають також дуже важливі наслідки щодо ролі Бога в житті Всесвіту. У зв'язку з успіхами, досягнутими науковими теоріями в описі подій, більшість учених прийшли до переконання, що Бог дозволяє Всесвіту розвиватися в відповідно до певної системи законів і не втручається в її розвиток, не порушує ці закони, але закони нічого не говорять нам про те, як виглядав Всесвіт, коли він тільки виник, - завести годинник і обрати початок все-таки могло бути справою Бога. ми вважаємо, що у Всесвіту був початок, ми можемо думати, що у нього був Творець, якщо ж Всесвіт дійсно повністю замкнутий і не має ні кордонів, ні країв, то тоді у нього не повинно бути ні початку, ні кінця: він просто є , і все! Чи залишається тоді місце для Творця?"

Ось і відповідь на питання Ейнштейна: жодної свободи вибору початкових умов у Бога не було.

Виконуючи підсумовування фейнманівськими траєкторіями за умови відсутності меж простору-часу, Хокінг вважає, що Всесвіт у його нинішньому стані з високою ймовірністю повинен розширюватися однаково швидко по всіх напрямках - у згоді зі спостереженнями ізотропного фону реліктового мікрохвильового випромінювання. Далі, якщо початок відліку часу є гладка, регулярна точка простору і часу, то Всесвіт почав еволюцію з однорідного, впорядкованого стану. Ця початкова впорядкованість пояснює наявність термодинамічної стріли часу, що вказує на той напрямок часу, в якому зростає безлад (ентропія) Всесвіту.

У заключній частині книги Хокінг описує теорію струн, яка претендує на поєднання всієї фізики. Ця теорія має справу не з частинками, а з об'єктами на кшталт одномірних струн. Частинки трактуються як коливання струн, випромінювання та поглинання частинок - як розрив та з'єднання струн. Струнна теорія, однак, не веде до протиріч лише в 10-мірному або 26-мірному просторах. Можливо, в ході розвитку Всесвіту "розгорнулися" лише чотири координати нашого простору-часу, інші ж виявилися згорнутими в простір мізерно малих розмірів.

Чому так сталося? Хокінг відповідає з позицій так званого антропного принципу: інакше не виникли б умови для розвитку розумних істот, здатних поставити подібне питання. Насправді, у разі меншої розмірності простору утруднена еволюція: так, всякий наскрізний прохід у тілі двовимірної істоти поділяє його на дві частини. У просторах більшої розмірності іншим буде закон гравітаційного тяжіння, і орбіти планет стануть нестійкими ( " ми тоді або стали, або згоріли " ). Звичайно, допустимі й інші всесвіти, з іншою кількістю координат, що розгорнулися, "...але в подібних областях не буде розумних істот, які могли б побачити цю різноманітність діючих вимірювань".

Хокінг з оптимізмом дивиться на перспективи створення єдиної теорії, що описує Всесвіт. Відібравши у Бога акт творіння, він відводить Богові роль творця її законів. Коли буде побудовано математичну модель, залишиться питання, чому Всесвіт, що підкоряється цій моделі, взагалі існує. Не пов'язані необхідністю будувати нові теорії, вчені звернуться до його дослідження. "І якщо буде знайдена відповідь на таке запитання, це буде повним тріумфом людського розуму, бо тоді нам стане зрозумілим задум Бога".

Конспект книги Стівена Хокінга "Коротка історія часу" підготував Ігор Яковлєв

Stephen Hawking

A BRIEF HISTORY OF TIME:

FROM THE BIG BANG TO BLACK HOLES

Передмова

Я не писав передмови до першого видання «Короткої історії часу». Це зробив Карл Саган. Натомість я додав короткий розділ під назвою «Подяки», де мені порадили висловити всім вдячність. Щоправда, деякі з благодійних фондів, які мені надали підтримку, були не дуже раді тому, що я їх згадав, – заявок у них стало набагато більше.

Я думаю, що ніхто – ні видавництво, ні мій агент, ні навіть я сам – не очікував, що книга матиме такий успіх. Вона протрималася у списку бестселерів лондонської газети Sunday Timesцілих 237 тижнів – це більше, ніж будь-яка інша книга (звісно, крім Біблії та творів Шекспіра). Вона була перекладена приблизно сороком мов і розійшлася величезним тиражем – на кожні 750 жителів Землі, чоловіків, жінок і дітей, припадає приблизно один екземпляр. Як зауважив Натан Майрволд із фірми Microsoft(це мій колишній аспірант), я продав більше книг з фізики, ніж Мадонна – книг про секс.

Успіх «Короткою історії часу» означає, що людей дуже цікавлять фундаментальні питання – про те, звідки ми взялися, і чому Всесвіт такий, яким ми його знаємо.

Я скористався можливістю доповнити книгу більш новими спостережними даними і теоретичними результатами, які були отримані вже після виходу першого видання (1 квітня 1988 року, в День дурня). Я додав новий розділ про кротові нори та подорожі у часі. Схоже, загальна теорія відносності Ейнштейна припускає можливість створення та підтримки кротових нір – невеликих тунелів, що пов'язують різні області простору-часу. У цьому випадку ми могли б використовувати їх для швидкого переміщення Галактикою або для подорожей назад у часі. Зрозуміло, ми поки що не зустрічали жодного прибульця з майбутнього (чи, можливо, все ж таки зустрічали?), але я спробую припустити, яким може бути пояснення тому.

Я також розповім про досягнутий останнім часом прогрес у пошуку «дуальностей», або відповідності між на перший погляд різними фізичними теоріями. Ці відповідності є свідченням на користь існування єдиної фізичної теорії. Але вони також свідчать, що цю теорію, можливо, не можна сформулювати несуперечливим, фундаментальним чином. Натомість у різних ситуаціях доводиться задовольнятися різними «відображеннями» основної теорії. Так само ми не можемо відобразити всю земну поверхню в подробицях на одній карті і змушені використовувати різні карти для різних областей. Така теорія стала б революцією у наших уявленнях про можливість поєднання законів природи.

Однак вона аж ніяк не торкнулася б найголовнішого: Всесвіт підпорядковується набору раціональних законів, які ми можемо відкрити і осягнути.

Щодо спостережного аспекту, то тут, безумовно, найважливішим досягненням став вимір флуктуацій реліктового випромінювання в рамках проекту COBE(англ. Cosmic Background Explorer –«Дослідник космічного фонового випромінювання») 1
Вперше флуктуації, або анізотропія, реліктове мікрохвильове випромінювання було виявлено радянським проектом «Релікт». - Прим. наук. ред.

Та інших. Ці флуктуації, власне, є «печаткою» твори. Мова про дуже малі неоднорідності в ранньому Всесвіті, в іншому цілком гомогенному. Згодом вони перетворилися на галактики, зірки та інші структури, які ми спостерігаємо через телескоп. Форми флуктуацій узгоджуються з передбаченнями моделі Всесвіту, що не має кордонів у уявному тимчасовому напрямку. Але щоб віддати перевагу запропонованій моделі іншим можливим поясненням флуктуацій реліктового випромінювання, будуть потрібні нові спостереження. Через кілька років стане ясно, чи можна вважати наш Всесвіт повністю замкнутим, без початку і кінця.

Стівен Хокінг

Глава перша. Наша картина Всесвіту

Якось відомий вчений (кажуть, це був Бертран Рассел) читав публічну лекцію з астрономії. Він розповідав, як Земля рухається орбітою навколо Сонця і як Сонце, своєю чергою, рухається орбітою навколо центру величезного скупчення зірок, званого нашої Галактикою. Коли лекція закінчилася, маленька жінка похилого віку в далекому ряду аудиторії встала і сказала: «Все, що тут говорили, – повна нісенітниця. Світ – пласка тарілка на спині гігантської черепахи». Вчений поблажливо посміхнувся і спитав: «На чому стоїть та черепаха?» «Ви ж дуже розумний хлопець, дуже розумний, – відповіла жінка. – Черепаха стоїть на іншій черепасі, та – на наступній, і так нескінченно!»

Більшість визнає безглуздою спробу видати наш Всесвіт за нескінченно високу вежу з черепах. Але чому ми такі впевнені, що наше уявлення про світ краще? Що ж нам дійсно відомо про Всесвіт і звідки ми все це знаємо? Як виник Всесвіт? Що чекає на неї в майбутньому? Чи був у Всесвіті початок, а якщо було, то що було до нього? Яка природа часу? Чи закінчиться воно колись? Чи можна рухатись у часі назад? Відповіді деякі з цих давніх питань дають недавні прориви у фізиці, яким ми, зокрема, зобов'язані появі нових фантастичних технологій. Коли-небудь ми визнаємо нові знання такими ж очевидними, як те, що Земля обертається навколо Сонця. А може, такими ж абсурдними, як уявлення про вежу з черепах. Тільки час (хоч би воно було) покаже.

Давним-давно, за 340 років до нашої ери, грецький філософ Аристотель написав трактат "Про небо". У ньому він висунув два переконливі докази того, що Земля має форму кулі і зовсім не є плоскою, як тарілка. По-перше, він зрозумів, що причина місячних затемнень – проходження Землі між Сонцем та Місяцем. Тінь, що відкидається Землею на Місяць, завжди має округлу форму, і це можливо, тільки якщо Земля також округла. Якби Земля мала форму плоского диска, то тінь, зазвичай, мала форму еліпса; круглою вона була б тільки тоді, коли Сонце під час затемнення було б точно під центром диска. По-друге, давні греки знали з досвіду своїх подорожей, що на півдні Полярна зірка розташована ближче до горизонту, ніж при спостереженні в місцевостях, що розташовані на північ. (Оскільки Полярна зірка розташована над Північним полюсом, то спостерігач на Північному полюсі бачить її прямо над головою, а спостерігач у районі екватора – над самим горизонтом.) Більше того, Аристотель, виходячи з різниці видимого положення Полярної зірки під час спостережень у Єгипті та Греції, зміг оцінити довжину кола Землі у 400 000 стадій. Ми не знаємо, чому в точності дорівнював один стадій, але якщо припустити, що він становив близько 180 метрів, то оцінка Аристотеля приблизно вдвічі більша від прийнятого в даний час значення. Греки мали ще й третій аргумент на користь круглої форми Землі: як інакше пояснити, чому при наближенні корабля до берега спочатку показуються лише його вітрила, а потім корпус?

Аристотель вважав Землю нерухомою, і навіть вважав, що Сонце, Місяць, планети та зірки звертаються по круговим орбітам навколо Землі. Він керувався містичними міркуваннями: Земля, за Аристотелем, є центром Всесвіту, а рух у колі найдосконаліший. У II столітті нашої ери Птолемей побудував на основі цієї ідеї всеосяжну космологічну модель. У центрі Всесвіту знаходилася Земля, оточена вісьмома вкладеними один в одного сферами, що обертаються, і на цих сферах розташовувалися Місяць, Сонце, зірки і відомі на той час п'ять планет - Меркурій, Венера, Марс, Юпітер і Сатурн (рис. 1.1). Кожна планета рухалася щодо своєї сфери малим колом – для того, щоб описати дуже складні траєкторії цих світил на небі. На зовнішній сфері були закріплені зірки, і тому взаємні становища залишалися незмінними, зміна оберталася на небі як єдине ціле. Уявлення про те, що розташоване за межами зовнішньої сфери, залишалися дуже розпливчастими, але це явно знаходилося за межами частини Всесвіту, доступного людству для спостереження.

Модель Птолемея дозволяла досить точно прогнозувати становище світил на небі. Але щоб домогтися згоди пророцтв зі спостереженнями, Птолемею довелося припустити, що відстань від Місяця до Землі в різний час могла відрізнятися вдвічі. А це означало, що видимий розмір Місяця іноді мав бути вдвічі більшим, ніж звичний! Птолемей усвідомлював цей недолік своєї системи, що не завадило майже одностайного визнання його картини світу. Християнська церква прийняла Птолемєєву систему, оскільки вважала її такою, що не суперечить Святому Письму: за межами сфери нерухомих зірок залишалося достатньо місця для раю та пекла.

Але 1514 року польський священик Микола Коперник запропонував простішу модель. (Щоправда, спочатку, побоюючись бути звинуваченим церквою в єресі, Коперник поширював свої космологічні ідеї анонімно.) Коперник припустив, що Сонце нерухомо й у центрі, а Земля і планети рухаються навколо нього круговими орбітами. Потрібно було майже сторіччя, щоб цю ідею сприйняли всерйоз. Одними з перших на користь теорії Коперника стали публічно висловлюватися двоє вчених-астрономів – німець Йоганн Кеплер та італієць Галілео Галілей, незважаючи на те, що траєкторії небесних тіл, що передбачалися цією теорією, не збігалися в точності з спостерігаються. Остаточний удар по системі світу Аристотеля і Птолемея завдали події 1609 року - тоді Галілей почав спостерігати нічне небо через щойно винайдений телескоп 2
Телескоп як зорову трубу першим винайшов голландський очковий майстер Йоганн Ліпперсгей в 1608, але Галілей першим направив телескоп на небо в 1609 і використав його для астрономічних спостережень. - Прим. перев.

Поглянувши на планету Юпітер, Галілей виявив кілька невеликих супутників, що обертаються навколо нього. Звідси випливало, що не всі небесні тіла звертаються навколо Землі, як вважали Аристотель із Птолемеєм. (Можна було, звичайно, продовжувати вважати Землю нерухомою і розташованою в центрі Всесвіту, вважаючи, що супутники Юпітера рухаються навколо Землі виключно заплутаними траєкторіями так, що це схоже на їх обіг навколо Юпітера. Але все ж таки теорія Коперника була набагато простіше.) Приблизно водночас Кеплер уточнив теорію Коперника, припустивши, що планети рухаються не круговими орбітами, а еліптичними (тобто витягнутими), завдяки чому вдалося домогтися згоди передбачень теорії зі спостереженнями.

Щоправда, Кеплер розглядав еліпси лише як математичний трюк, і до того ж дуже одіозний, оскільки еліпси – менш досконалі постаті, ніж кола. Кеплер виявив майже випадково, що еліптичні орбіти добре описують спостереження, але при цьому ніяк не міг узгодити припущення про еліптичні орбіти зі своєю ідеєю про магнітні сили як причину руху планет навколо Сонця. Причину руху планет навколо Сонця значно пізніше, у 1687 році, розкрив сер Ісаак Ньютон у трактаті «Математичні засади натуральної філософії» – мабуть, найважливішою з будь-коли опублікованих робіт з фізики. У цій праці Ньютон не тільки висунув теорію, що описує рух тіл у просторі та часі, а й розробив складний математичний апарат, необхідний для опису цього руху. Крім того, Ньютон сформулював закон всесвітнього тяжіння, згідно з яким всяке тіло у Всесвіті притягується до будь-якого іншого тіла з силою, яка тим більша, чим більше маси тіл і чим менша відстань між тілами, що взаємодіють. Це та сама сила, яка змушує предмети падати на землю. (Історія про те, що на думку про закон всесвітнього тяжіння Ньютона навело яблуко, що впало на його голову, швидше за все, просто вигадка. Ньютон казав лише, що ця ідея прийшла до нього, коли він знаходився «в споглядальному настрої» і був «під враженням» від падіння яблука».) Ньютон показав, що згідно з сформульованим ним законом під дією тяжіння Місяць повинен рухатися еліптичною орбітою навколо Землі, а Земля і планети – еліптичними орбітами навколо Сонця.

Модель Коперника виключала необхідність у сферах Птолемея, а з ними – і в припущенні про наявність у Всесвіту якогось природного зовнішнього кордону. Оскільки у «нерухомих» зірок не виявлялося жодного руху, крім загального добового руху небосхилу, викликаного обертанням Землі навколо своєї осі, то було природно припустити, що це ті ж тіла, як наше Сонце, тільки розташовані набагато далі.

Ньютон зрозумів, що згідно з його теорією тяжіння зірки повинні притягувати один одного і тому, мабуть, не можуть залишатися нерухомими. Чому ж вони не зблизилися і не скупчилися в одному місці? У своєму листі іншому видатному мислителю свого часу, Річарду Бентлі, написаному в 1691 році, Ньютон стверджував, що вони зближуватимуться і накопичуватимуться лише в тому випадку, якщо кількість зірок, зосереджених в обмеженій області простору, звичайно. А якщо число зірок нескінченно і розподілені вони більш менш рівномірно в нескінченному просторі, то цього не станеться через відсутність будь-якої явної центральної точки, в яку могли б «провалитися» зірки.

Це одна з тих пасток, які зустрічаються при міркуваннях про нескінченність. У нескінченному Всесвіті будь-яка її точка може розглядатися як її центр, тому що по кожну сторону від неї знаходиться нескінченна кількість зірок. Правильний підхід (до якого прийшли набагато пізніше) – вирішення задачі в кінцевому випадку, коли зірки падають одна на одну, і дослідження того, як результат змінюється при додаванні в конфігурацію зірок, розташованих за межами аналізованої області та розподілених більш менш рівномірно. Згідно із законом Ньютона в середньому додаткові зірки в сукупності не повинні впливати на початкові зірки, і тому ці зірки вихідної конфігурації повинні так само швидко падати одна на одну. Тож скільки зірок не додай, вони все одно будуть падати одна на одну. Тепер ми знаємо, що неможливо отримати нескінченну стаціонарну модель Всесвіту, в якій сила гравітації має виключно характер, що «притягує».

Про інтелектуальну атмосферу до початку XX століття багато говорить той факт, що нікому тоді не спало на думку сценарій, згідно з яким Всесвіт може стискатися або розширюватися. Загальноприйнятою була концепція Всесвіту, що існувала завжди в незмінному вигляді, або створеної в певний момент у минулому – у тому вигляді, в якому ми її спостерігаємо зараз. Це, зокрема, могло бути наслідком того, що люди схильні вірити у вічні істини. Варто згадати хоча б, що найбільша втіха дає думку про те, що, хоча ми всі старіємо і вмираємо, Всесвіт вічний і незмінний.

Навіть вчені, які розуміли, що згідно з ньютонівською теорією тяжіння Всесвіт не може бути статичним, не наважувалися припустити, що він може розширюватися. Натомість вони намагалися скоригувати теорію так, щоб гравітаційна сила на дуже великих відстанях ставала відразливою. Таке припущення не змінювало істотно передбачені рухи планет, але дозволяло нескінченно великому числу зірок залишатися у стані рівноваги: сили тяжіння з боку близьких зірок врівноважувалися силами відштовхування далеких зірок. Зараз вважається, що такий рівноважний стан має бути нестійким: варто зіркам у будь-якій області трохи більше наблизитися один до одного, як їх взаємне тяжіння посилиться і перевершить сили відштовхування, внаслідок чого зірки продовжать падати одна на одну. З іншого боку, варто зіркам виявитися лише трохи далі один від одного, як сили відштовхування візьмуть гору над силами тяжіння і зірки розлетяться.

Інше заперечення проти концепції нескінченного статичного Всесвіту зазвичай пов'язують з ім'ям німецького філософа Генріха Ольберса, який опублікував свої міркування з цього приводу у 1823 році. Насправді на цю проблему звертали увагу багато сучасників Ньютона, і стаття Ольберса була аж ніяк не першою, де наводилися вагомі докази проти такої концепції. Однак вона була першою, яка здобула широке визнання. Справа в тому, що в нескінченному статичному Всесвіті майже будь-який промінь зору повинен упиратися в поверхню якої-небудь зірки, і тому все небо має світитися так само яскраво, як Сонце, причому навіть уночі. Контраргумент Ольберса полягав у тому, що світло далеких зірок має послаблюватися через поглинання речовиною між нами і цими зірками. Але тоді ця речовина розігрілася б і світилася так само яскраво, як і самі зірки. Уникнути висновку про те, що яскравість усього неба можна порівняти з яскравістю Сонця, можна тільки припустивши, що зірки не світилися вічно, а «засвітилися» деякий час назад. У цьому випадку поглинаюча речовина не встигла б нагрітися або світло далеких зірок не встигло досягти нас. Таким чином, ми приходимо до питання про причину, через яку спалахнули зірки.

Звісно, люди обговорювали походження Всесвіту набагато раніше. У багатьох ранніх космологічних уявленнях, а також в іудейській, християнській та мусульманській картинах світу Всесвіт виник у певний і не дуже далекий час у минулому. Одним із аргументів на користь такого початку було відчуття необхідності якоїсь першопричини, яка б пояснювала існування Всесвіту. (У межах самого Всесвіту будь-яка подія, що відбувається в ній, пояснюється як наслідок іншої, більш ранньої події; існування ж самого Всесвіту можна таким чином пояснити, тільки припустивши, що у неї був якийсь початок.) Інший аргумент був висловлений Аврелієм Августином, або Блаженним Августином, у праці «Про місто Боже». Він зазначив, що цивілізація розвивається і що ми пам'ятаємо, хто вчинив те чи інше діяння чи винайшов той чи інший механізм. Отже, людина, а можливо, і Всесвіт не могли існувати довгий час. Блаженний Августин вважав, відповідно до Книги Буття, що Всесвіт був створений приблизно за 5000 років до Різдва Христового. (Цікаво, що це близько до епохи закінчення останнього Льодовикового періоду, – близько 10 000 років до нашої ери, – яку археологи вважають початком виникнення цивілізації.)

Аристотелю, і навіть більшості давньогрецьких філософів, навпаки, не подобалася ідея створення світу, оскільки вона виходила з божественного втручання. Вони вважали, що людський рід та світ існували завжди і існуватимуть вічно. Мислителі давнини осмислили і вищезгаданий аргумент про прогрес цивілізації і парирували: вони заявили, що людський рід періодично повертався до стадії початку цивілізації під дією потопів та інших стихійних лих.

Питання про те, чи був у Всесвіті початок у часі і чи обмежений він у просторі, також порушував філософ Іммануїл Кант у своїй монументальній (щоправда, дуже складній для розуміння) праці «Критика чистого розуму», опублікованій у 1781 році. Кант називав ці питання антиноміями (тобто протиріччями) чистого розуму, тому що відчував, що є однаково переконливі докази на користь як тези – тобто того, що у Всесвіту було початок – так і антитези – тобто того, що Всесвіт існував завжди . На доказ тези Кант наводить такі міркування: якби у Всесвіту не було початку, то будь-якій події мало передувати нескінченний час, що, на думку філософа, є абсурдним. На користь антитези висувалося те міркування, що якби у Всесвіту було початок, то до нього мало пройти нескінченний час і незрозуміло, чому ж Всесвіт виник у будь-який конкретний момент часу. По суті, кантівські обґрунтування тези та антитези майже ідентичні. В обох випадках в основі міркувань лежить неявне припущення філософа про те, що час нескінченно продовжується в минуле незалежно від того, чи існував Всесвіт завжди. Як побачимо, поняття часу немає сенсу до народження Всесвіту. Першим це відзначив Блаженний Августин. Його запитали: «Що робив Бог до того, як створив світ?», і Августин не стверджував, що Бог готував пекло для тих, хто ставить такі запитання. Натомість він постулював, що час – це властивість створеного Богом світу і що до початку Всесвіту часу не існувало.

Коли більшість людей вважали Всесвіт загалом статичною та незмінною, питання про наявність у неї початку ставилося швидше до сфери метафізики чи теології. Спостережувану картину світу можна було з однаковим успіхом пояснити як у рамках теорії про те, що Всесвіт існував завжди, так і на основі припущення, що він був наведений у рух у якийсь конкретний час, але таким чином, що зберігається видимість, ніби він існує вічно. Але в 1929 Едвін Хаббл зробив фундаментальне відкриття: він звернув увагу на те, що далекі галактики, де б вони не знаходилися на небі, завжди віддаляються від нас з великими швидкостями, [пропорційними відстані до них] 3
Тут і далі у квадратних дужках розміщуються зауваження перекладача, які уточнюють авторський текст. - Прим. вид.

Іншими словами, Всесвіт розширюється. Це означає, що в минулому об'єкти у Всесвіті були ближчими один до одного, ніж зараз. І схоже, що в якийсь момент часу - десь 10-20 мільярдів років тому - все, що є у Всесвіті, було сконцентровано в одному місці, а отже, щільність Всесвіту була нескінченною. Це відкриття вивело питання початку Всесвіту у сферу науки.

Стівен Хокінг, Леонард Млодінов

Найкоротша історія часу

Передмова

Глава перша

Розмірковуючи про всесвіт

Усміхнувшись із почуттям переваги, вчений запитав:

А на чому стоїть черепаха?

Розділ другий

РОЗВИТОК КАРТИНИ СВІТУ

Хоча навіть в епоху Христофора Колумба багато хто вважав, що Земля плоска (і сьогодні дехто все ще дотримується цієї думки), сучасна астрономія сягає корінням за часів стародавніх греків. Близько 340 до н. е. давньогрецький філософ Аристотель написав твір «Про небо», де навів вагомі аргументи на користь того, що Земля скоріше є сферою, а не плоскою плитою.

Одним із аргументів стали затемнення Місяця. Аристотель зрозумів, що їх викликає Земля, яка, проходячи між Сонцем та Місяцем, відкидає тінь на Місяць. Аристотель помітив, що тінь Землі завждикругла. Так і має бути, якщо Земля – сфера, а не плоский диск. Май Земля форму диска, її тінь була б круглою не завжди, але тільки в ті моменти, коли Сонце виявляється точно над центром диска. В інших випадках тінь подовжувалася б, приймаючи форму еліпса (еліпс - це витягнуте коло).

Своє переконання в тому, що Земля кругла, давні греки підкріплювали й іншим аргументом. Якби вона була плоскою, судно, що йде до нас, спочатку здавалося б крихітною, невиразною точкою на горизонті. Принаймні його наближення проступали б деталі - вітрила, корпус. Проте все відбувається інакше. Коли судно з'являється на горизонті, перше, що ви бачите, – це вітрила. Тільки потім вашому погляду відкривається корпус. Те, що щогли, що височіють над корпусом, першими з'являються через обрій, свідчить про те, що Земля має форму кулі (рис. 1).

Стародавні греки багато уваги приділяли спостереженням за нічним небом. До часу Аристотеля вже кілька століть велися записи, що відзначають переміщення небесних світил.

Рис. 1. Судно, що наближається через обрій.

Завдяки тому, що Земля має форму кулі, щогли та вітрила судна з'являються через горизонт раніше, ніж корпус.

Було помічено, що серед тисяч видимих зірок, які рухалися всі разом, п'ять (не рахуючи Місяця) переміщалися своїм особливим манером. Іноді вони відхилялися від звичайного напрямку зі сходу на захід і задкували назад. Ці світила назвали планетами,що в перекладі з грецької означає «блукаючий». Стародавні греки спостерігали лише п'ять планет: Меркурій, Венеру, Марс, Юпітер та Сатурн, бо тільки їх можна побачити неозброєним оком. Сьогодні ми знаємо, чому планети рухаються такими дивними траєкторіями. Якщо зірки майже не переміщаються по відношенню до Сонячної системи, планети обертаються навколо Сонця, тому їхній шлях нічним небом виглядає набагато складніше руху далеких зірок.

Аристотель вважав, що Земля нерухома, а Сонце, Місяць, планети та зірки обертаються навколо неї круговими орбітами. Він вірив у це, вважаючи, з містичних причин, що Земля - центр Всесвіту, а круговий рух - найдосконаліший. У другому столітті нашої ери інший грецький вчений, Птолемей, розвинув цю ідею, побудувавши всеосяжну модель небесних сфер. Птолемей був захопленим дослідником. "Коли я вивчаю спіралі руху зірок, - писав він, - я вже не торкаюся ногами землі".

У моделі Птолемея Землю оточували вісім сфер, що обертаються. Кожна наступна сфера більша за попередню - подібно до російських матрьошок. Земля міститься у центрі. Що саме лежить за кордоном останньої сфери, ніколи не уточнювалося, але це безперечно було недоступне людському спостереженню. Отже, найдальшу сферу вважали свого роду кордоном, вмістилищем Всесвіту. Передбачалося, що зірки займають на ній фіксовані місця, так що при обертанні цієї сфери вони рухаються небом усі разом, зберігаючи взаєморозташування, - що ми й спостерігаємо. На внутрішніх сферах розміщуються планети. На відміну від зірок, вони не закріплені жорстко, а рухаються щодо своїх сфер невеликими колами, званими епіциклів.Це обертання разом із обертанням планетних сфер і робить рух планет щодо Землі таким складним (рис. 2). Цією побудовою Птолемей зумів пояснити, чому шляхи планет по зоряному небу, що спостерігаються, набагато складніше кругових.

Модель Птолемея дозволяла з достатньою точністю пророкувати положення світил на небі. Але задля цього Птолемей змушений був припустити, що в деякі моменти Місяць, слідуючи своїм шляхом, підходить до Землі вдвічі ближче, ніж в інший час. А це означає, що в такі моменти Місяць повинен здаватися вдвічі більшим! Птолемей знав цей недолік своєї системи, проте вона отримала широке, хоч і не загальне визнання. Християнська церква визнала цю картину світу, що відповідає Святому Письму, оскільки вона залишала достатньо місця для раю та пекла за межами сфери нерухомих зірок - чимала перевага.

Рис. 2. Модель Птолемея.

У моделі Птолемея Земля є центром Всесвіту, ув'язненим усередині восьми сфер, де розміщуються всі небесні тіла.

Проте 1514 р. польський канонік Микола Коперник запропонував іншу модель світу. (Спочатку, можливо зі страху уславитися єретиком, Коперник поширював свою теорію анонімно.) Революційна ідея Коперника полягала в тому, що не всі небесні тіла повинні обертатися навколо Землі. Він стверджував, що Земля і планети обертаються круговими орбітами навколо нерухомого Сонця, що лежить у центрі Сонячної системи. Подібно до моделі Птолемея, теорія Коперника працювала добре, але все ж таки не повністю відповідала спостереженням. Її відносна простота - порівняно з моделлю Птолемея, - здавалося б, обіцяла швидкий успіх. Однак минуло майже сторіччя, перш ніж її прийняли всерйоз. Два астрономи - німець Йоганн Кеплер та італієць Галілео Галілей - відкрито стали на бік теорії Коперника.

У 1609 р. Галілей почав спостерігати нічне небо з допомогою винайденого ним телескопа. Подивившись на Юпітер, він виявив, що цю планету супроводжують кілька маленьких супутників, які крутяться навколо неї. Це вказувало, що не всі небесні тіла обертаються навколо Землі, як вважали Арістотель та Птолемей. У той самий час Кеплер удосконалив теорію Коперника, припустивши, що планети рухаються за колами, а еліпсами. З урахуванням цієї поправки передбачення теорії несподівано точно збіглися зі спостереженнями. Відкриття Галілея та Кеплера стали смертельними ударами для птолеміївської моделі.

Хоча припущення про еліптичній формі орбіт дозволило вдосконалити модель Коперника, сам Кеплер вважав його лише засобом припасування теорії під спостереження. Розумом його володіли упереджені, умоглядні ідеї щодо влаштування природи. Подібно до Аристотеля, Кеплер вважав еліпси менш досконалими фігурами, ніж кола. Думка про те, що планети рухаються такими недосконалими орбітами, настільки схиляла йому, що він не визнавав її остаточною істиною. Турбувало Кеплера та інше: уявлення про еліптичні орбіти було несумісне з його ідеєю про те, що планети звертаються навколо Сонця під дією магнітних сил. І хоча теза Кеплера про те, що магнітні сили зумовлюють обертання планет, виявилася помилковою, не можна не визнати прозрінням ту його думку, що якась сила відповідальна за рух небесних тіл.

Правильне пояснення того, чому планети звертаються навколо Сонця, з'явилося набагато пізніше, в 1687 р., коли Ісаак Ньютон опублікував свої «Математичні засади натуральної філософії», ймовірно найзначніша з коли-небудь виданих фізичних праць. У «Початках» Ньютон сформулював закон, згідно з яким всяке нерухоме тіло залишається у спокої, поки цей стан не порушить будь-яка сила, і описав, як під впливом сили тіло рухається чи змінює свій рух.

Отже, чому ж планети рухаються еліпсами навколо Сонця? Ньютон заявив, що за це відповідальна специфічна сила, і стверджував, що це та сама сила, що змушує предмети падати на Землю, а не залишатися у спокої, коли ми їх відпускаємо. Він назвав цю силу гравітацією.(Перш, до Ньютона, англійське слово gravity означало серйозний настрій, а також властивість предметів бути важкими.) Ньютон також розробив математичний апарат, що дозволяє кількісно описати, як реагують тіла на дію сил, подібних до гравітації, і вирішив рівняння. Таким чином, Ньютон зумів довести, що тяжіння Сонця змушує Землю та інші планети рухатися еліптичними орбітами - у точній відповідності до передбачення Кеплера!

Ньютон проголосив, що його закони застосовні до всього у Всесвіті, від падаючого яблука до зірок та планет. Вперше в історії рух планет пояснювався дією тих самих законів, що визначають рух на Землі, і цим було започатковано сучасну фізику та астрономію.

Після відмови від Птолемеєвих сфер не залишалося жодних причин думати, що Всесвіт має природні межі (окреслені найдальшою сферою). І оскільки положення зірок здавались незмінними, якщо не вважати їхнього добового руху по небу, викликаного обертанням Землі навколо своєї осі, природно було припустити, що зірки - це об'єкти, подібні до нашого Сонця, тільки дуже далекі. І тепер уже не лише Земля, а й Сонце не могло більше претендувати на роль центру світу. Вся наша Сонячна система виявлялася, мабуть, не більше ніж рядовою освітою у Всесвіті.

Розділ третій

СУТЬ НАУКОВИХ ТЕОРІЙ

Щоб говорити про природу Всесвіту і міркувати про те, чи має вона початок чи кінець, слід усвідомити, що є науковою теорією. Ми будемо виходити з того наївного уявлення, що теорія не більше ніж модель Всесвіту або деякої її частини, а також набір правил, які допомагають співвіднести абстрактні величини та практичні спостереження. Теорія існує тільки в наших умах і не має іншої реальності (хоч би що означало це слово).

Будь-яка теорія хороша, якщо вона задовольняє двом вимогам:

точно описує великий клас спостережень на основі моделі, що містить кілька довільних елементів;

дозволяє робити точні пророцтва про результати майбутніх спостережень.

Наприклад, Аристотель визнавав теорію Емпедокла, згідно з якою все складається з чотирьох елементів: землі, повітря, вогню та води. Це була досить проста теорія, але вона не дозволяла робити жодних певних передбачень.

З іншого боку, теорія всесвітнього тяжіння Ньютона заснована на ще простішій моделі, згідно з якою тіла притягують один одного з силою, пропорційною їх масам і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Але незважаючи на свою простоту, ця теорія з високою точністю передбачає рух Сонця, Місяця і планет.

Будь-яка фізична теорія завжди умовна, тому, що вона є лише припущенням: ви ніколи не зумієте довести її. Скільки б разів результати експериментів не збігалися з прогнозами теорії, ви ніколи не можете бути впевнені, що наступного разу між ними не виникне протиріччя. З іншого боку, одне-єдине спостереження, яке не узгоджується з прогнозами теорії, здатне її спростувати.

Як наголошував філософ науки Карл Поппер, хороша теорія відрізняється тим, що робить безліч передбачень, які в принципі можуть бути спростовані або, як кажуть філософи, сфальсифіковані спостереженнями. Щоразу, коли результати нових експериментів узгоджуються з прогнозами теорії, вона виживає і довіра до неї збільшується; але, якщо хоч одне спостереження суперечить теорії, ми маємо її відкинути чи переглянути.

Принаймні, передбачається, що так має бути, проте ви завжди можете поставити під сумнів компетентність того, хто виконував спостереження.

Насправді нова теорія найчастіше є розвитком попередньої. Наприклад, дуже точні спостереження за планетою Меркурій виявили невеликі розбіжності між її реальним рухом і тим, що передбачає теорія всесвітнього тяжіння Ньютона. Передбачення загальної теорії відносності Ейнштейна трохи розходяться з висновками Ньютона теорії. Те, що прогнози Ейнштейна, на відміну ньютонівських, збіглися зі спостереженнями, стало одним із найважливіших підтверджень нової теорії. Проте ми як і використовуємо теорію Ньютона для практичних завдань, оскільки різницю між її прогнозами і прогнозами загальної теорії відносності дуже невеликі. (А крім того, з теорією Ньютона набагато простіше працювати, ніж з теорією Ейнштейна!)

Кінцева мета науки полягає в тому, щоб дати світові єдину теорію, яка описує весь Всесвіт. Однак на практиці вчені ділять це завдання на дві частини. Першу частину становлять закони, що описують, як Всесвіт змінюється з часом. (Якщо ми знаємо стан Всесвіту у певний момент часу, то ці фізичні закони скажуть нам, яким буде його стан згодом.) До другої частини відносяться питання щодо початкового стану Всесвіту. Деякі люди переконані, що наука повинна займатися лише першою частиною, залишивши питання про початковий стан метафізики чи релігії. Вони кажуть, що Бог, будучи всемогутнім, міг дати початок Всесвіту будь-яким завгодним Йому чином. Можливо і так, але тоді Він також міг змусити її розвиватися цілком довільним чином. Однак, схоже, що Творець наказав їй розвиватися у суворій відповідності до певних законів. Тому чи не розумніше припустити, деякі закони керували і початковим станом Всесвіту?

Виявляється, дуже важко одним махом винайти теорію, що описує весь Всесвіт. Натомість ми розбиваємо завдання на частини та створюємо безліч приватних теорій.

Кожна з цих теорій описує і передбачає деякий обмежений клас спостережень, нехтуючи впливом інших співвідношень або представляючи їх простими наборами чисел. Можливо, цей підхід є докорінно неправильним. Якщо все у Всесвіті взаємозалежне найголовнішим чином, то може статися, що не можна підійти до повного вирішення, досліджуючи частини проблеми окремо. Проте, діючи у такий спосіб у минулому, вчені досягли відомих успіхів. Класичний приклад - все та ж теорія Ньютона, яка ставить гравітаційну взаємодію між двома тілами в залежність тільки від однієї їх якості - маси, не враховуючи, з чого вони складені. Іншими словами, нам не потрібна теорія внутрішньої будови Сонця та планет для розрахунку їх орбіт.

Сьогодні вчені описують Всесвіт у термінах двох основних приватних теорій – загальної теорії відносності та квантової механіки. Це найбільші здобутки розуму першої половини двадцятого століття. Загальна теорія відносності описує дію гравітації і великомасштабну структуру Всесвіту, тобто структуру на масштабах від кількох кілометрів до мільйона мільйонів мільйонів (одиниця з двадцятьма чотирма нулями) кілометрів - розміру Всесвіту, що спостерігається. Квантова механіка, навпаки, має справу з гранично малими масштабами, близько мільйонної частки від мільйонної частки сантиметра (рис. 3). На жаль, але відомо, що ці дві теорії несумісні одна з одною: разом вони не можуть бути правильними. Однією з головних завдань сьогоднішньої фізики і головною темою цієї книги є пошук нової теорії - квантової теорії гравітації, яка включає в себе обидві нинішні теорії. Поки що ми не маємо такої теорії, і, можливо, ми маємо ще довгий шлях до неї, але нам уже відомі багато з тих властивостей, якими вона повинна мати. І ми покажемо далі, що вже знаємо солідну кількість передбачень, які має робити квантова теорія гравітації.

Рис. 3. Атоми та галактики.

У першій половині ХХ століття фізики розсунули межі досліджуваних явищ від звичного нам світу, підпорядкованого законам Ньютона, до мікро- і макрокосму.

Якщо ви вірите, що Всесвіт не хаотичний, а керується певними законами, то має бути можливість звести всі приватні теорії в одну повну об'єднану теорію, яка опише все у Всесвіті. Але пошуки загальної теорії містять у собі фундаментальний парадокс. Принципи створення наукових теорій, сформульовані вище, припускають, що ми є раціональними істотами, які вільні спостерігати Всесвіт за своїм розумінням і робити логічні висновки з того, що ми бачимо. У такому разі напрошується припущення, що ми могли б підбиратися все ближче до законів, які керують нашим Всесвітом. І якби справді існувала повна об'єднана теорія, вона, можливо, визначила б наші власні дії. Отже, і результати наших пошуків самої об'єднаної теорії! І чому вона має визначити, що ми зробимо правильні висновки з того, що бачимо? Чи не може виявитися, що з таким самим успіхом ми зробимо неправильні висновки? Чи взагалі жодних висновків?

Єдина відповідь, яку можна дати на ці питання, ґрунтується на принципі природного відбору Дарвіна. У будь-якій популяції організмів, що самовідтворюються, неминучі варіації в генетичній речовині і вихованні різних особин. Ці відмінності мають на увазі, що деякі індивіди здатні вірніше інших судити про навколишній світ і діяти відповідно до своїх суджень. Подібні індивідууми з більшою ймовірністю виживуть і дадуть потомство, а отже, їх поведінка та спосіб мислення буде домінувати. Не підлягає сумніву, що в минулому те, що ми називаємо інтелектом та науковим мисленням, давало переваги у боротьбі за виживання. Не зовсім ясно, однак, чи дають вони таку перевагу сьогодні. Наші наукові відкриття здатні знищити всіх нас, і навіть якщо цього не станеться, повна об'єднана теорія не збільшить наших шансів на виживання. Однак, якщо Всесвіт розвивався за певними законами, ми могли б очікувати, що здатність до мислення, якому наділив нас природний відбір, допоможе нам також у пошуках повної об'єднаної теорії і не призведе нас, зрештою, до хибних висновків.

Приватні теорії, які ми вже маємо, достатні для того, щоб робити точні передбачення у всіх ситуаціях, за винятком найекстремальніших. Тому пошук остаточної теорії Всесвіту, схоже, важко виправдати міркуваннями практичної користі. (Варто відзначити тим щонайменше, що подібний аргумент міг використовуватися і проти теорії відносності і квантової механіки, які дали нам ядерну енергію і мікроелектронну революцію!) Відкриття повної об'єднаної теорії може й допомогти виживання людського роду. Воно може навіть не вплинути на наш спосіб життя. Але з самого зародження цивілізації люди відмовлялися вважати явища позбавленими взаємозв'язків та незрозумілими. Вони прагнули осягнути світопорядок, що лежить в основі всього. Сьогодні ми все ще прагнемо дізнатися, звідки і яким чином ми з'явилися в цьому світі. Фундаментальна потяг людства до знання - достатня підстава для продовження пошуків. І ми не задовольняємося меншим, ніж повне розуміння Всесвіту, в якому ми живемо.

Розділ четвертий

ВСЕСВІТ НЬЮТОНА

Наші нинішні уявлення про рух тіл сходять до Галілея та Ньютона. До них люди вірили Аристотелю, який стверджував, що природний стан тіла – спокій, а рухається воно лише під впливом сили чи імпульсу. Звідси випливало, що важке тіло має падати швидше за легеню, бо воно сильніше притягується до Землі.

Аристотелевская традиція проголошувала також, що це закони, керуючі Всесвіту, можна вивести шляхом чистого умогляду, без експериментальної перевірки. Тому до Галілея ніхто не дав собі труднощів упевнитися, чи дійсно тіла різної маси падають з різною швидкістю.

Кажуть, що Галілей демонстрував хибність твердження Аристотеля, кидаючи предмети з вежі, що нахилилася, в італійському місті Піза. Ця історія, швидше за все, вигадана, але Галілей все ж таки робив щось подібне: він скачував кулі різної маси по гладкій похилій площині. Це аналогічно до вертикального падіння тіл, але завдяки меншим швидкостям у подібному експерименті легше виконувати спостереження.

Вимірювання Галілея показали, що швидкість руху тіл зростала однаково незалежно від їхньої маси. Наприклад, якщо ви пустите кулю по похилій площині, яка знижується на один метр кожні десять метрів, то незалежно від маси за секунду вона рухатиметься зі швидкістю приблизно один метр за секунду, за дві секунди - два метри за секунду і так далі.

Звичайно, тіло зі свинцю падає швидше за пір'їнку, але тільки тому, що падіння пера сповільнюється опором повітря. Два тіла, які не відчувають суттєвого повітряного опору, наприклад два свинцеві вантажі різної маси, будуть падати з тим самим прискоренням. (Ми скоро дізнаємося чому.) На Місяці, де немає повітря, що сповільнює падіння, астронавт Девід Р. Скотт провів експеримент, кидаючи пір'їнку та шматок свинцю, і переконався, що вони одночасно впали на ґрунт.

Ньютон поклав виміри Галілея в основу своїх законів руху. В експериментах Галілея тіло скочувалося з похилої площини під дією постійної сили, що надавала йому прискорення. Цим демонструвалося, що реальний ефект від дії сили – зміна швидкості тіла, а не приведення його в рух, як вважалося раніше. Також звідси випливало, що доки тіло не піддається дії будь-якої сили, воно переміщається по прямій лінії з постійною швидкістю. Ця ідея, вперше чітко висловлена в «Початках» (1687), відома як перший закон Ньютона.

Поведінка тіла під впливом сили описується другим законом Ньютона. Він стверджує, що тіло прискорюватиметься, тобто змінюватиме свою швидкість у темпі, пропорційному величині докладеної сили. (Наприклад, прискорення збільшиться вдвічі, якщо удвічі зросте сила.) Крім того, прискорення тіла тим менше, чим більша його маса, тобто кількість речовини. (Одна і та ж сила, що діє на тіло вдвічі більшої маси, дає половинне прискорення.) Усім, хто мав справу з автомобілями, відомо: чим потужніший двигун, тим більше прискорення, а при одній і тій же потужності двигуна більш важка машина прискорюється повільніше .

На додаток до законів руху, що описують реакцію тіл на дію сил, ньютонівська теорія тяжіння описує, як визначити величину одного конкретного виду сил – гравітації. Як уже було сказано, згідно з цією теорією будь-які два тіла притягуються один до одного з силою, пропорційною їх масам. Тобто сила тяжіння між двома тілами зростає вдвічі, якщо подвоїти масу одного з тіл, наприклад, тіла А (рис. 4). Це цілком природно, оскільки можна розглядати нове тіло А як два тіла, кожне з яких має первісну масу і притягує тіло В з первісною силою. Таким чином, повна сила взаємного тяжіння тіл А і В буде вдвічі більшою за початкову. А якби маса одного з тіл зросла в шість разів, або маса одного вдвічі, а іншого втричі, то сила тяжіння між ними зросла б у шість разів.

Тепер можна зрозуміти, чому всі тіла падають із однаковим прискоренням. Відповідно до закону всесвітнього тяжіння те з двох тіл, чия маса вдвічі більша, вдвічі сильніша притягується Землею. Але відповідно до другого закону Ньютона через вдвічі більшу масу його прискорення виявиться вдвічі меншим за одиницю сили. Таким чином, ці два ефекти компенсують один одного і прискорення вільного падіння не залежить від маси тіла.

Закон тяжіння Ньютона також говорить, що чим далі одне від одного знаходяться тіла, тим слабше їхнє тяжіння. За Ньютоном, тяжіння далекої зірки буде рівно вчетверо слабше тяжіння такої ж зірки, що знаходиться вдвічі ближче. Цей закон дозволяє з найвищою точністю передбачати траєкторії руху Землі, Місяця та планет. Якби гравітаційне тяжіння зірки зменшувалося з відстанню швидше чи повільніше, орбіти планет були б еліптичними, а мали б форму спіралі, що сходить до Сонця чи розходиться від нього.

Рис. 4. Гравітаційне тяжіння складових тіл.

Якщо маса одного з тіл зростає вдвічі, подвоюється і сила тяжіння між тілами.

Найважливіша відмінність між вченням Аристотеля та ідеями Галілея і Ньютона у тому, що Аристотель вважав спокій природним станом будь-якого тіла, якого воно прагне, а то й відчуває дії якоїсь сили чи імпульсу. Зокрема, Аристотель вважав, що Земля перебуває у стані спокою. Але із законів Ньютона випливає, що немає жодного унікального стандарту спокою.

Можна сказати, що тіло А перебуває у стані спокою, а тіло переміщається щодо нього з постійною швидкістю, або що тіло перебуває в спокої, а тіло переміщається, і обидва твердження будуть однаково вірні.

Наприклад, якщо забути на мить, що Земля обертається навколо своєї осі і обертається навколо Сонця, то однаково можна говорити, що Земля перебуває у стані спокою, а поїзд рухається нею північ зі швидкістю дев'яносто миль на годину чи що поїзд перебуває в стан спокою, а Земля рухається на південь зі швидкістю дев'яносто миль на годину.

Якщо провести в поїзді експерименти з тілами, що рухаються, всі закони Ньютона підтвердяться. Наприклад, граючи в пінг-понг у вагоні поїзда, переконуєшся, що кулька кориться законам Ньютона так само, як і кулька на столі біля дороги. Тож неможливо дізнатися, що саме рухається – поїзд чи Земля.

Як перевірити, хто правий - Ньютон чи Аристотель? Ось один із можливих експериментів. Уявіть, що ви знаходитесь всередині закритого контейнера і не знаєте, чи він стоїть на підлозі вагона в поїзді, що рухається, або на твердій поверхні Землі, стандарті спокою згідно з Аристотелем. Чи можна визначити де ви? Якщо можна, Аристотель, мабуть, мав рацію: стан спокою Землі є особливим. Однак це неможливо. Експерименти, виконані всередині контейнера в поїзді, що рухається, будуть протікати так само, як і ті, що зроблені всередині контейнера на «нерухомому» пероні (ми вважаємо, що поїзд не відчуває поштовхів, не повертає і не гальмує). Граючи в пінг-понг у вагоні поїзда, можна виявити, що кулька поводиться так само, як і кулька на столі біля дороги. І якщо, перебуваючи всередині контейнера, ви граєте в пінг-понг, при різних швидкостях поїзда щодо Землі - 0,50 або 90 миль на годину - кулька завжди поводитиметься однаково. Так улаштований світ, як і відбито у рівняннях законів Ньютона: немає способу дізнатися, що рухається - поїзд чи Земля. Поняття руху має сенс лише тоді, коли воно задано щодо інших об'єктів.

Чи справді суттєво, хто має рацію - Аристотель чи Ньютон? Чи йдеться про відмінність поглядів, філософських систем, чи це проблема, важлива для науки? Відсутність абсолютного стандарту спокою має у фізиці далекосяжні наслідки: з нього випливає, що не можна визначити, чи відбулися дві події, що мали місце в різний час, в тому самому місці.

Щоб усвідомити це, припустимо, що хтось у поїзді вертикально кидає тенісну кульку на стіл. Кулька відскакує вгору і за секунду знову вдаряє в те саме місце на поверхні столу. Для людини, що кинула кульку, відстань між точками першого і другого торкання дорівнюватиме нулю. Але для того, хто стоїть зовні вагона, два торкання будуть поділені приблизно сорока метрами, бо саме стільки пройде поїзд між двома відскоками кульки (рис. 5). Відповідно до Ньютону обидві людини мають однакове право вважати, що перебувають у стані спокою, отже обидві погляду однаково прийнятні. Жоден їх немає переваги перед іншим, на противагу тому, що вважав Аристотель. Місця, де спостерігаються події, та відстані між ними різні для людини в поїзді та людини на платформі, і немає жодних причин віддати перевагу одному спостереженню іншому.

Рис. 5. Відносність відстані.

Відстань, яка долає тіло, – та її шлях – можуть по-різному оцінюватися різними спостерігачами.

Ньютона дуже турбувала відсутність абсолютних положень, або абсолютного простору, як заведено було говорити, оскільки це не узгоджувалося з його ідеєю абсолютного Бога. Фактично він відмовився прийняти відсутність абсолютного простору, незважаючи на те, що його закони мали на увазі це. За цю ірраціональну віру його критикували багато хто, особливо єпископ Берклі, філософ, який думав, що всі матеріальні тіла, простір і час - ілюзія. Коли знаменитого доктора Джонсона ознайомили з думкою Берклі, він закричав: "Я спростовую це так!" - і вдарив ногою по великому каменю.

І Арістотель, і Ньютон вірили в абсолютний час. Тобто вважали, що можна однозначно виміряти інтервал часу між двома подіями і отримане значення буде тим самим, хто б його не вимірював, якщо використовувати точний годинник. На відміну від абсолютного простору, абсолютний час узгоджувалосяіз законами Ньютона. І більшість людей вважає, що це відповідає здоровому глузду.

Проте в ХХ столітті фізики були змушені переглянути уявлення про час і простір. Як ми переконаємося надалі, вчені виявили, що інтервал часу між двома подіями, подібно до відстані між відскоками тенісної кульки, залежить від спостерігача. Фізики також виявили, що час не є абсолютно незалежним від простору.

Ключем до прозріння стало нове розуміння властивостей світла. Властивості ці, здавалося б, суперечать нашому досвіду, але наш здоровий глузд, що справно служить нам, коли ми маємо справу з яблуками або планетами, які рухаються порівняно повільно, перестає працювати у світі навколосвітніх швидкостей.

Розділ п'ятий

ВІДНОСНІСТЬ

Той факт, що світло поширюється з кінцевою, хоч і дуже високою швидкістю, було виявлено в 1676 датським астрономом Оле Християнсеном Ремером. Спостерігаючи за супутниками Юпітера, можна помітити, що час від часу вони зникають з очей, проходячи позаду гігантської планети. Такі затемнення у системі супутників Юпітера мають відбуватися з однаковими інтервалами, проте Ремер встановив, що проміжки між ними різні. Можливо, швидкість руху супутників орбітою то зменшується, то збільшується? Ремер знайшов інше пояснення.

Якби світло поширювалося з нескінченною швидкістю, то на Землі ці затемнення спостерігалися б через рівні інтервали часу, в ті самі моменти, коли вони відбуваються, - подібно до цокання космічного годинника. Наближення Юпітера до Землі або його видалення не мало б жодного значення, оскільки світло будь-яку відстань долало б миттєво.

Тепер уявімо, що світло поширюється з кінцевою швидкістю. Тоді затемнення повинні спостерігатися через деякий час після їхнього настання. Ця затримка залежить від швидкості світла та від відстані до Юпітера. Якби відстань між Юпітером і Землею залишалася незмінною, то й затемнення відзначалося б завжди через рівні інтервали. Однак, коли відстань між Землею та Юпітером скорочується, «сигнал» про кожне наступне затемнення долає все меншу і меншу відстань і досягає нашої планети з усе більшим «випередженням графіка». З тієї ж причини, коли Юпітер віддаляється від Землі, бачимо, що затемнення дедалі більше запізнюються (рис. 6). Величина випередження та запізнення залежить від швидкості світла, що дозволяє її виміряти.

Рис. 6. Швидкість світла та моменти затемнень супутників Юпітера.

Спостерігаються моменти затемнень супутників Юпітера залежать як від реального часу затемнень, і від часу, протягом якого світло долає відстань від Юпітера до Землі. Так, складається враження, ніби затемнення трапляються частіше, коли Юпітер зближується із Землею, і рідше – коли віддаляється від неї. Цей ефект тут перебільшений для наочності.

Саме це зробив Ромер. Він зауважив, що під час зближення Землі та Юпітера затемнення наступають раніше, а під час їхнього видалення один від одного - пізніше, і використав цю різницю для обчислення швидкості світла. Однак його оцінки зміни відстані від Землі до Юпітера були не дуже точними, через що він отримав величину швидкості світла 225 тисяч кілометрів на секунду, відмінну від сучасної - 300 тисяч кілометрів на секунду. І все ж таки досягнення Ромера гідне захоплення. Адже він не тільки встановив, що швидкість світла є кінцевою, і обчислив її величину, але й зробив це за одинадцять років до публікації «Почав» Ньютона.

Задовільної теорії поширення світла не існувало до 1865, коли англійський фізик Максвелл зумів об'єднати до того відокремлені описи електричних і магнітних сил. Рівняння Максвелла передбачали можливість хвилеподібних збурень сутності, що він назвав електромагнітним полем. Вони повинні були поширюватися з постійною швидкістю, подібно до брижів на поверхні ставка. Обчисливши цю швидкість, Максвел виявив, що вона точно збігається зі швидкістю світла!

Сьогодні ми знаємо, що хвилі Максвелла сприймаються людським оком як видиме світло, якщо їхня довжина знаходиться в інтервалі від сорока до вісімдесяти мільйонних часток сантиметра. [Довжиною хвилі називають відстань між двома її гребенями або западинами (рис. 7).] Хвилі, довжина яких коротше, ніж у видимого світла, тепер називають ультрафіолетовим, рентгенівським та гамма-випромінюванням. Хвилі, що перевершують по довжині видиме світло, - це радіохвилі (метр або більше), мікрохвилі (кілька сантиметрів) та інфрачервоне випромінювання (більше десятитисячної частки сантиметра).

Рис. 7. Довжина хвилі.

Довжиною хвилі називають відстань між двома її гребенями чи западинами.

Випливаюче з теорії Максвелла положення про те, що радіо- та світлові хвилі поширюються з деякою постійною швидкістю, було важко узгодити з теорією Ньютона. За відсутності абсолютного стандарту спокою не може бути жодної універсальної угоди про швидкість об'єкта. Щоб зрозуміти це, знову уявіть себе, що грає в пінг-понг у поїзді. Якщо ви направляєте кульку до супротивника зі швидкістю 10 миль на годину, то для спостерігача на платформі швидкість кульки складе 100 миль на годину: 10 – швидкість кульки щодо поїзда плюс 90 – швидкість поїзда щодо платформи. Яка швидкість кульки – 10 або 100 миль на годину? А як ви її визначатимете? Щодо поїзда? ЩодоЗемлі? Безабсолютного стандарту спокою ви не можете визначити абсолютну швидкість кульки. Одному й тому кульці можна приписати будь-яку швидкість залежно від того, щодо якої системи відліку вона вимірюється (рис. 8). Відповідно до теорії Ньютона те саме має відноситися і до світла. То який тоді сенс несе в собі твердження теорії Максвелла про те, що світлові хвилі завжди поширюються з однаковою швидкістю?

Щоб примирити теорію Максвелла з законами Ньютона, була прийнята гіпотеза про те, що всюди, навіть у вакуумі, в «порожньому» просторі, існує якесь середовище, що отримало назву «ефір». Ідея ефіру мала особливу привабливість для тих учених, які вважали, що, подібно до морських хвиль, що вимагають води, або звукових коливань, що вимагають повітря, хвиль електромагнітної енергії потрібне якесь середовище, в якому вони могли б поширюватися. З цього погляду світлові хвилі поширюються в ефірі так само, як звукові хвилі в повітрі, і їхня швидкість, що виводиться з рівнянь Максвелла, повинна вимірюватися щодо ефіру. У такому разі різні спостерігачі фіксували б різні значення швидкості світла, але щодо ефіру вона залишалася постійною.

Цю ідею можна перевірити. Уявіть собі світло, яке випускається якимось джерелом. Згідно з теорією ефіру світло поширюється в ефірі з постійною швидкістю. Якщо ви рухаєтеся крізь ефір у бік джерела, швидкість, з якою до вас наближається світло, складатиметься зі швидкості руху світла в ефірі та вашої швидкості щодо ефіру. Світло наближатиметься до вас швидше, ніж якби ви були нерухомі або, наприклад, рухалися в якомусь іншому напрямку. Однак ця відмінність у швидкості дуже важко виміряти через те, що швидкість світла багаторазово більша за ту швидкість, з якою ви могли б рухатися назустріч джерелу.

У 1887 р. Альберт Майкельсон (який згодом став першим американським лауреатом Нобелівської премії з фізики) та Едвард Морлі виконали дуже тонкий та важкий експеримент у Школі прикладних наук у Клівленді. Вони вирішили скористатися тим, що якщо Земля обертається навколо Сонця зі швидкістю близько 30 кілометрів на секунду, то і їхня лабораторія повинна рухатися крізь ефір із цією відносно високою швидкістю. Звичайно, ніхто не знав, чи переміщається ефір щодо Сонця, а якщо так, то в якому напрямку і з якою швидкістю. Але, повторюючи виміри у різні пори року, коли Земля перебуває у різних точках своєї орбіти, вони сподівалися врахувати цей невідомий чинник. Майкельсон і Морлі розробили експеримент, у якому швидкість світла у бік руху Землі через ефір (коли ми рухаємося у бік джерела світла) порівнювалася зі швидкістю світла під прямим кутом до цього напряму (коли ми не наближаємося до джерела). На диво, вони виявили, що швидкість в обох напрямках в точності однакова!

Рис. 8. Різні швидкості тенісної кульки.

Відповідно до теорії відносності результати вимірювань швидкості тіла, отримані різними спостерігачами, однаково справедливі.

Між 1887 та 1905 рр. було зроблено кілька спроб врятувати теорію ефіру. Найцікавішими виявилися роботи голландського фізика Хендріка Лоренца, який спробував пояснити результат експерименту Майкельсона-Морлі стисненням предметів та уповільненням ходу годинника при пересуванні крізь ефір. Однак у 1905 р. досі невідомий співробітник швейцарського патентного бюро Альберт Ейнштейн показав, що будь-яка потреба в ефірі відпадає, якщо відмовитися від ідеї абсолютного часу (ви скоро дізнаєтесь чому). Провідний французький математик Анрі Пуанкаре висловив схожі міркування кількома тижнями пізніше. Аргументи Ейнштейна були ближчими до фізики, ніж викладки Пуанкаре, який розглядав проблему як суто математичну і до останнього свого дня не приймав ейнштейнівську інтерпретацію теорії.

Фундаментальний постулат Ейнштейна, що називається принципом відносності, говорить, що всі закони фізики повинні бути однаковими для всіх спостерігачів, що вільно рухаються, незалежно від їх швидкості. Це було правильно для законів руху Ньютона, але тепер Ейнштейн поширив цю ідею також і теорію Максвелла. Іншими словами, раз теорія Максвелла оголошує швидкість світла постійною, то будь-який вільно рухомий спостерігач повинен фіксувати те саме значення незалежно від швидкості, з якою він наближається до джерела світла або віддаляється від нього. Звичайно, ця проста ідея пояснила – без залучення ефіру чи іншої привілейованої системи відліку – сенс появи швидкості світла в рівняннях Максвелла, проте з неї також випливала низка дивовижних наслідків, які найчастіше суперечили інтуїції.

Наприклад, вимога, щоб усі спостерігачі зійшлися в оцінці швидкості світла, змушує змінити концепцію часу. Згідно з теорією відносності спостерігач, що їде поїздом, і той, що стоїть на платформі, розійдуться в оцінці відстані, пройденої світлом. А оскільки швидкість є відстань, поділена на якийсь час, єдиний спосіб для спостерігачів дійти згоди щодо швидкості світла – це розійтися також і в оцінці часу. Інакше кажучи, теорія відносності поклала край ідеї абсолютного часу! Виявилося, що кожен спостерігач повинен мати свою власну міру часу і що ідентичний годинник у різних спостерігачів не обов'язково показуватиме той самий час.

Теорія відносності не потребує ефіру, присутність якого, як показав експеримент Майкельсона-Морлі, неможливо виявити. Натомість теорія відносності змушує нас суттєво змінити уявлення про простір та час. Ми повинні визнати, що час не повністю відокремлений від простору, але складає з ним певну спільність - простір-час. Зрозуміти це нелегко. Навіть співтовариству фізиків знадобилися роки, щоб ухвалити теорію відносності. Вона - свідчення багатої уяви Ейнштейна, його здатність до побудови теорій, його довіри до власної логіки, завдяки якому він робив висновки, не лякаючись тих, здавалося б, дивних висновків, які породжувала теорія.

Всім добре відомо, що положення точки у просторі можна описати трьома числами чи координатами. Наприклад, можна сказати, що якась точка в кімнаті знаходиться за сім футів від однієї стіни, за три фути від іншої і на висоті п'яти футів над підлогою. Або ми можемо вказати точку, задавши її географічну широту і довготу, а також висоту над рівнем моря (рис. 9).

Рис. 9. Координати у просторі.

Говорячи, що простір має три виміри, ми маємо на увазі, що положення точки в ньому можна передати за допомогою трьох чисел - координат. Якщо ми введемо в наш опис час, то отримаємо чотиривимірний простір-час.

Можна використовувати будь-які три відповідні координати, однак кожна система координат має обмежену сферу застосування. Не надто зручно визначати положення Місяця щодо центру Лондона - стільки миль на північ і стільки на захід від площі Піккаділлі і на стільки футів вище за рівень моря. Натомість можна задати положення Місяця, вказавши його відстань від Сонця, віддалення від площини планетних орбіт, а також кут між прямою Місяць-Сонце та лінією, що з'єднує Сонце з найближчою до нас зіркою, Проксимою Центавра. Але навіть ці координати не дуже зручні для вказівки розташування Сонця в нашій Галактиці або самої Галактики в Місцевій групі галактик. Насправді Всесвіт можна описувати в термінах свого роду «латок», що перекриваються. У межах кожної латки для завдання точки правомірно використовувати свою систему координат.

У просторі-часі теорії відносності будь-яка подія - тобто щось, що відбувається у певній точці простору у певний час - можна задати чотирма координатами. Вибір координат знову-таки довільний: можна використовувати будь-які три чітко задані просторові координати та будь-який спосіб виміру часу. Але в теорії відносності немає принципової різниці між просторовими та часовими координатами, як немає його між будь-якими двома просторовими координатами. Можна вибрати нову систему координат, у якій, скажімо, перша просторова координата буде певним поєднанням колишніх першої та другої просторових координат. Наприклад, положення точки на Землі можна було б висловити не відстанню в милях на північ і захід від площі Піккаділлі, а, скажімо, відстанню на північний схід і північний захід. Аналогічно можна використовувати нову часову координату, задаючи її як старий час (у секундах) плюс відстань (у світлових секундах) на північ від площі Піккаділлі.

Інше відоме наслідок теорії відносності - еквівалентність маси та енергії, виражена знаменитим рівнянням Ейнштейна Е = тс2 (де Е-енергія, т -маса тіла, з -швидкість світла). Через еквівалентність енергії та маси кінетична енергія, якою матеріальний об'єкт має силу свого руху, збільшує його масу. Іншими словами, об'єкт стає складніше розганяти.

Цей ефект суттєвий лише для тіл, які переміщуються зі швидкістю, що близька до швидкості світла. Наприклад, при швидкості, що дорівнює 10% від швидкості світла, маса тіла буде всього на 0,5% більше, ніж у стані спокою, а от при швидкості, що становить 90% від швидкості світла, маса вже більш ніж удвічі перевищить нормальну. У міру наближення до швидкості світла маса тіла збільшується все швидше, тому для його прискорення потрібно все більше енергії. Згідно з теорією відносності об'єкт ніколи не зможе досягти швидкості світла, оскільки в даному випадку його маса стала б нескінченною, а в силу еквівалентності маси та енергії для цього знадобилася б нескінченна енергія. Саме тому теорія відносності назавжди прирікає будь-яке звичайне тіло рухатися зі швидкістю, меншою швидкості світла. Тільки світло чи інші хвилі, які мають власної маси, здатні рухатися зі швидкістю світла.

Теорія відносності, висунута Ейнштейном 1905 р., називається «спеціальною» чи «приватною». Вона дуже успішно пояснила незмінність швидкості світла всім спостерігачів і описала явища під час руху зі швидкостями, близькими до швидкості світла, але виявилася несумісною з теорією тяжіння Ньютона.

Теорія Ньютона свідчить, що у будь-який момент тіла притягують одне одного із силою, що залежить від відстані між ними у цей час. Отже, якщо хтось перемістить одне з тіл, то сила тяжіння зміниться миттєво.

Якби, скажімо, Сонце раптово зникло, то згідно з теорією Максвелла Земля не занурювалася б у пітьму ще 8 хвилин (саме стільки потрібно сонячному світлу, щоб досягти нас). Проте з теорії Ньютона Земля, звільнившись від тяжіння Сонця, зійшла з орбіти негайно. Таким чином, гравітаційний ефект зникнення Сонця досяг би нас із нескінченною швидкістю, а не зі швидкістю світла чи повільніше, як передбачає спеціальна теорія відносності.

Між 1908 та 1914 pp. Ейнштейн зробив багато невдалих спроб примирити теорію тяжіння зі спеціальною теорією відносності. Нарешті, 1915 р., він запропонував ще більш революційну доктрину, відому тепер як загальна теорія відносності.

Розділ шостий

ВИКРИВЛЕНИЙ ПРОСТІР

Загальна теорія відносності Ейнштейна заснована на революційному припущенні, що гравітація не проста сила, а наслідок того, що простір-час не є плоским, як заведено було думати раніше. У загальній теорії відносності простір-час вигнутий або викривлений поміщеними в нього масою та енергією. Тіла, подібні до Землі, рухаються по викривленим орбітам непід впливом сили, що називається гравітацією; вони йдуть по викривленим орбітам оскільки є геодезичними лініями - найближчими аналогами прямих ліній у викривленому просторі. Суворіше геодезична лінія визначається як найкоротший (або, навпаки, найдовший) шлях між двома точками.

Кінець безкоштовного ознайомлювального фрагмента.