Сім основних уроків з фізики - Карло Ровеллі

За кілька років до народження Ейнштейна двоє великих британських фізиків, Майкл Фарадей і Джеймс Максвелл, додали до холодного ньютонівського світу ключовий інгредієнт – електромагнітне поле. Це поле – об’єктивна реальність, що проникає скрізь, переносить радіохвилі, наповнює простір, вібрує і коливається, як поверхня озера, а також транспортує електричну силу. З юності Ейнштейн був просто в захваті від електромагнітного поля, здатного обертати ротори електростанції, збудованої його батьком, і скоро зрозумів, що гравітація, як і електрика, має переноситися за допомогою поля: гравітаційне поле має існувати як аналог електричного поля. Ейнштейн прагнув зрозуміти, як це гравітаційне поле працює і як його описати за допомогою рівнянь.

І саме в цей момент у нього раптово виникла надзвичайна ідея, доторк чистого генія: гравітаційне поле не пронизує простір; гравітаційне поле – це, власне, і є сам простір. Це ідея теорії загальної відносності. Ньютонівський простір, крізь який рухаються предмети, і гравітаційне поле – те саме.

Це був момент осяяння. Відбулося миттєве спрощення уявлення про світобудову: простір більше не є чимось відділеним від матерії, він один із матеріальних компонентів світу, об’єктивна реальність, що хвилеподібно рухається, гнеться, викривлюється, скручується. Ми не вміщені всередину невидимої сталої інфраструктури, ми наче закручені в гнучкій мушлі гігантського равлика. Сонце вигинає простір навколо себе, і Земля не рухається навколо нього не завдяки якійсь таємничій силі, а тому, що вона скочується – через нахил простору, подібно до мармурової кульки, яка котиться ринвою. Жодні таємничі сили не генеруються в центрі ринви, це просто вигнута форма її стінок змушує кульку скочуватись. Планети рухаються навколо сонця, і предмети падають, бо простір викривлюється.

Як можна описати це викривлення простору? Найвідоміший математик ХІХ століття, Карл Фрідріх Гаусс, названий князем математиків, записав математичні формули, щоб описати двомірні криволінійні поверхні пагорбів. Потім він попросив свого обдарованого студента узагальнити теорію, щоб розмістити простори в трьох і більше вимірах. Студент, а ним виявився Бернгард Ріман, створив таку приголомшливу докторську дисертацію, що вона здавалась абсолютно непридатною: властивості викривленого простору втілюються в окремий математичний об’єкт, який позначається літерою R і який ми знаємо як Ріманову кривизну. Ейнштейн написав рівняння, де R еквівалентне енергії матерії. Таким чином стверджується: викривлення простору є там, де є матерія. Ось так! Рівняння займає лише піврядка. Образ простору, що викрівлюється, стає рівнянням.

Але всередині рівняння народжується Всесвіт. Теорія з чарівною щедрістю народжує фантасмагоричну послідовність передбачень, які схожі на безтямну маячню божевільного і які, тим не менш, підтверджуються. Почнімо хоча б з того, як простір вигинається навколо зірки, завдяки цьому не тільки виникають орбіти планет, а й світло перестає рухатись по прямій лінії і відхиляється. Ейнштейн висунув теорію, що Сонце – причина відхилення світла. У 1919 році це відхилення було виміряне, і теорія підтвердилася. Ейнштейн висунув ідею, що поблизу Сонця час біжить швидше, ніж поблизу Землі (тобто сповільнення часу більше там, де гравітація сильніша). Згодом це підтвердилося. Якщо людина, яка прожила певний час на рівні моря, зустрінеться зі своїм близнюком, який жив високо в горах, то виявить, що двійник дещо старший.

І це тільки початок.

Коли велика зірка спалює все своє пальне (водень), вона згасає. Тиску від жару залишків уже не досить, щоб протистояти власній вазі, і зірка колапсує, вигинаючи простір до такої міри, що утворюється справжня діра. Це і є знамениті чорні діри. Коли я вчився в університеті, їх вважали ледь вартими довіри передбаченнями таємничої теорії. Сьогодні астрономи спостерігають за сотнями чорних дір і детально їх вивчають.

Але і це ще не все. Ейнштейнове рівняння показує, що простір не може бути сталим, він мусить розширюватись. У 1930 році розширення простору справді було виявлено. Те саме рівняння передбачає, що розширення мало початися з вибуху юного, надзвичайно малого й екстремально гарячого всесвіту: з того, що ми тепер знаємо як Великий Вибух.

Спершу ніхто цьому не вірив. Але проводили все більше спостережень, факти накопичувалися, аж поки не було доведено існування фонового випромінювання – розсіяних відблисків, що залишилися від тепла, спричиненого початковим розширенням Всесвіту. Пророцтво, що постало з рівняння Ейнштейна, справдилося. І більше того, теорія стверджує, що космос рухається подібно до поверхні моря. Ефект подібних гравітаційних хвиль спостерігається в небі (приклад: подвійні зірки) і, згідно з прогнозами теорії, з приголомшливою точністю: один до ста мільярдів. І так далі.

Коротше кажучи, теорія описує барвистий і захопливий світ, де всесвіти вибухають, простір колапсує, утворюючи бездонні діри, час сповільнюється поблизу планети, безмежний обшир міжзоряного простору пульсує і розгойдується, як поверхня моря. І все це, що поступово з’ясовується з моєї обгризеної мишами книжки, не є оповіддю ідіота у нападі безумства чи галюцинацією, спричиненою гарячим середземноморським сонцем Калабрії та сліпучо осяйним морем. Це реальність. Точніше – натяк, проблиск реальності, трохи менш завуальованої, ніж наше розпливчасте і банальне щоденне її бачення. Реальність, що, здавалося б, виготовлена з тієї самої субстанції, з якої зроблені наші мрії, але більш життєздатна, ніж наше захмарене щоденне мріяння.

Усе це результат елементарної інтуїції: простір і гравітаційне поле – те саме. Не можу не навести тут формулу, якщо навіть ви не будете в змозі її розшифрувати. Але, можливо, хтось оцінить її дивовижну простоту.

Rab – 1/2 R gab = Tab

Ось вона. Вам, звичайно, доведеться пройти курс навчання і засвоїти Ріманову математику, щоб осягнути техніку читання і використання цього рівняння. Це потребуватиме трохи терпіння і зусиль. Але менше, ніж потрібно, наприклад, щоб поцінувати рідкісної краси струнний квартет пізнього Бетховена. В обох випадках нагородою буде чиста краса – і нові очі, щоб по-новому побачити світ.

2. Квант

Два стовпи, на яких стоїть фізика ХХ століття, – загальна теорія відносності, про яку йшлося у попередньому уроці, і квантова механіка, з якою матимемо справу тут. Немає теорій, які відрізняються одна від одної більше, ніж ці. Обидві теорії вчать нас, що тонка структура природи – ще менш вловима, ніж може здаватися. Але загальна теорія відносності – це, так би мовити, компактна коштовність, створена силою єдиного розуму, а саме Альбертом Ейнштейном, це просте і послідовне бачення гравітації, простору і часу. Квантова механіка, або квантова теорія, отримала незрівнянні експериментальні результати, і її застосування кардинально змінило наше повсякденне життя (комп’ютер, на якому я набираю текст, – цьому приклад), але навіть через століття після народження вона залишається незрозумілою і таємничою.

Квантова механіка виникла у 1900 році і