Пространство и время будоражат воображение учёных как никакие другие идеи в науке. Причина понятна. Они образуют арену реальности, формируют самую ткань космоса. Само наше существование — всё, что мы делаем, думаем и чувствуем — происходит в некоторой области пространства и в течение некоторого интервала времени. Однако наука до сих пор пытается понять, что на самом деле представляют собой пространство и время. Являются ли они реальными физическими сущностями или лишь полезными идеями? Если они реальны, то фундаментальны ли они или же возникают из более первичных конституэнтов? Что означает для пространства быть пустым? Есть ли начало у времени? Есть ли у времени стрела, неумолимо направленная из прошлого в будущее, как подсказывает повседневный опыт? Можем ли мы влиять на пространство и время? В этой книге мы проследим трёхсотлетние попытки пылкой научной мысли дать ответы (или намёки на ответы) на эти фундаментальные и глубокие вопросы о природе мироздания.
В нашем путешествии мы неоднократно столкнёмся и с другим вопросом, одновременно и всеобъемлющим, и ускользающим: что есть реальность? Мы, человеческие существа, имеем доступ только к нашему внутреннему опыту ощущений и мысли, поэтому как мы можем быть уверены, что они истинно отражают внешний мир? Философы уже давно осознали эту проблему. Режиссёры популяризуют эту тему с помощью сюжетов, наполненных вымышленными мирами, порождёнными изысканными нейрологическими симуляциями, которые существуют только в умах их героев. А физики, к которым отношусь и я, остро чувствуют, что видимая реальность — материя, эволюционирующая на фоне пространства и времени, — может оказаться совсем непохожей на ту, другую реальность, лежащую за пределами видимого (если она существует). Однако, поскольку наблюдения — это всё, что у нас есть, мы принимаем их всерьёз. Вместо неограниченного воображения или необузданного скептицизма мы выбираем в качестве проводника надёжные данные и математику и ищем наиболее простые, однако самые многообещающие теории, способные объяснить и предсказать результаты современных и будущих экспериментов. Это сильно ограничивает искомые теории. (Например, в этой книге вы не найдёте и намёков на то, что я плаваю в баке с водой, подключённый проводами к тысяче мозговых стимуляторов, которые заставляют меня просто думать, что я сейчас пишу этот текст.) Но за последние сто лет открытия в физике заставляют нас пересмотреть обыденное отношение к реальности, и это так ошеломляет, захватывает и потрясает все устои, как самая невероятная научная фантастика. Об этой революции идей и пойдёт речь на страницах этой книги.
Многие из исследуемых вопросов суть те же самые, что на протяжении веков являлись в разных ипостасях и заставляли напрягаться умы Аристотеля, Галилея, Ньютона, Эйнштейна и многих других. И поскольку в этой книге мы описываем науку в становлении, мы прослеживаем эти вопросы так, как они были поставлены одним поколением, ниспровергнуты их последователями и уточнены и переосмыслены учёными последующих поколений.
Например, при ответе на нетривиальный вопрос — является ли абсолютно пустое пространство, как чистое полотно, реальной сущностью или просто отвлечённой идеей? — мы следуем за маятником научной мысли: Исаак Ньютон в XVII в. утверждал, что пространство реально; потом маятник качнулся вспять, и Эрнст Мах сказал, что нет, не реально; а в XX в. Эйнштейн ошеломляюще переформулировал саму суть вопроса, слив воедино пространство и время, в значительной мере опровергнув Маха. Затем мы следуем за новыми открытиями, которые снова переиначивают вопрос, переопределяя понятие «пустоты», говоря, что пространство неизбежно заполнено так называемыми квантованными полями и, возможно, однородно распределённой энергией, называемой космологической постоянной, — современным отголоском старого и дискредитированного понятия «эфир», который заполняет всё пространство. А затем мы расскажем читателю, как грядущие космические эксперименты могут подтвердить некоторые выводы Маха, которые согласуются с общей теорией относительности Эйнштейна, являя собой захватывающий образец запутанной паутины научного исследования.
В наши дни мы находим обнадёживающие результаты инфляционной космологии относительно понимания стрелы времени; богатый выбор предложений дополнительных измерений в теории струн; поразительное предположение М-теории о том, что наша Вселенная — всего лишь щепка, плавающая в более масштабном космосе; широко обсуждаемую идею о том, что наблюдаемая нами Вселенная может оказаться лишь голограммой. Мы пока не знаем, справедливы ли наши последние научные теории. Но как бы дико они не звучали, мы относимся к ним серьёзно, ибо именно сюда нас привёл непрерывный и непреклонный поиск глубинных законов природы. Непонятная и необычная реальность ждёт нас не только на изобильной стезе научной фантастики. Она рождается на острие современных открытий физической науки.
Книга «Ткань космоса» предназначена в основном для широкого круга читателей, не имеющих особой научной подготовки, но обладающих стремлением понять устройство мироздания, что поможет им преодолеть трудности на пути понимания сложных и нетривиальных концепций. Как и в моей первой книге «Элегантная Вселенная», я старался придерживаться сути научных идей, опуская математические описания и заменяя их метафорами, аналогиями, рассказами и иллюстрациями. Когда мы подходим к самым сложным разделам, я предупреждаю об этом читателя и предлагаю короткую аннотацию для тех, кто решит только пролистать эти сложные места или вообще их опустить. Таким образом, читатель сможет пройти путём открытий и получить не только набор знаний о последних идеях в физике, но и понимание того, как и почему та или иная идея получила право на жизнь.
