Сім основних уроків з фізики - Карло Ровеллі

Минуло століття, а ми перебуваємо в тій самій точці. Рівняння квантової механіки та висновки з них щодня використовуються в найрізноманітніших галузях фізиками, інженерами, хіміками та біологами. Вони надзвичайно корисні для всіх сучасних технологій (без квантової механіки не було б, скажімо, транзисторів). Але ці рівняння лишаються таємничими, адже ними неможливо описати, що відбувається у фізичній системі, а тільки те, як одна фізична система впливає на іншу.

Основну реальність системи описати неможливо. Чи значить це, що нам не вистачає частини головоломки? Чи значить це, що ми маємо прийняти те, що реальність – тільки взаємодія? Обсяг наших знань зростає. Це дозволяє нам робити те, чого ми колись навіть уявити не могли. Але прогрес поставив перед нами нові питання.

Рівняння квантової теорії застосовуються в лабораторіях. Але в статтях і на конференціях, кількість яких значно зросла, фізики та філософи продовжують науковий пошук. Що ж таке квантова теорія за століття після народження? Надглибоке занурення в природу реальності? Рух навпомацки, що призводить до випадкових результатів? Частинка незібраного пазла? Чи дороговказ до чогось важливого у структурі світу, який ми досі не можемо правильно зрозуміти?

Коли Ейнштейн помер, його багаторічний суперник Бор знайшов для нього слова, сповнені зворушливого захвату. Коли за кілька років помер Бор, хтось сфотографував дошку в його кабінеті – на ній був малюнок «наповненої світлом коробки» з ейнштейнівського уявного експеримента.

До останнього прагніть випробувати самих себе, щоб зрозуміти більше. До останнього сумнівайтесь.

3. Архітектура Всесвіту

У першій половині ХХ століття Ейнштейн описав механізм простору і часу, Нільс Бор та його молоді послідовники описали за допомогою рівнянь дивну квантову природу матерії. У другій половині ХХ століття фізики використовували ці два фундаменти для вивчення широкого спектру явищ: від макрокосмічної структури Всесвіту до мікрокосму елементарних частинок. Про перше зі згаданого я буду говорити в цьому уроці, а про друге – в наступному.

Цей урок складається переважно з простих малюнків. Причина така: до всіх експериментів, до виникнення вимірювання, математики та строгої дедукції, наука – перш за все бачення. Наука починається з візуального сприйняття. Наукова думка живиться здатністю бачити речі інакше, ніж вони вже були побачені (у повсякденні). Пропоную коротенький скромний начерк подорожі між баченнями.

На малюнку 1 зображено, що концепція космосу являла собою протягом тисячоліть: Земля – внизу, небо – вгорі. Перша велика наукова революція була здійснена двадцять шість віків тому Анаксімандром, коли він спробував зобразити, як Сонце, Місяць і зорі обертаються навколо нас, що змінило картинку космосу: небо навколо Землі, а не тільки над нею (мал. 2). Антична Земля – величезний камінь, що плаває, зависаючи в космосі. Скоро хтось (чи то Парменід, чи то Піфагор) усвідомив, що сфера – найбільш зручна форма для цієї Землі, яка літає і для якої всі напрямки однакові.

Мал. 1

Мал. 2

Аристотель, своєю чергою, навів достатні наукові аргументи на підтвердження сферичної природи як Землі, так і неба навколо неї, де небесні об’єкти рухаються кожен своїм курсом. Ось, як результат, зображення Аристотелевого космосу.

Мал. 3

Цей космос, описаний Аристотелем у книжці «На небесах», є образом світу, що лишався характерним для середземноморської цивілізації аж до кінця Середньовіччя. Це образ Всесвіту, що його Данте і Шекспір вивчали в школі.

Наступний стрибок, здійснений Коперником, ознаменував те, що можна назвати великою науковою революцією. Всесвіт Коперника не надто відрізняється від Аристотелевого:

Мал. 4

Але тут є ключова відмінність. Взявши за основу ідею, уже визнану в античності, Коперник дещо зрозумів і показав, що Земля не перебуває в центрі хороводу планет, а Сонце – в центрі замість неї. Наша планета стала такою самою, як інші планети, однією з кількох, які з великою швидкістю обертаються навколо своєї осі та навколо Сонця.

Наші знання зростали, прилади астрономів ставали кращими і більш точними, тож стало відомо, що Сонячна система – лише одна серед величезної кількості собі подібних і що Сонце – зірка, така як мільярди інших, безкінечно мала піщинка у величезній хмарі з сотень мільярдів зірок – галактиці (мал. 5).

Мал. 5

У 30-х роках ХХ століття астрономам вдалося точно визначити параметри туманностей – малих білуватих скупчень серед зірок.

Це дало розуміння того, що наша галактика є лише пилинкою у величезній хмарі галактик, що простягаються так далеко, як тільки може бачити око, навіть озброєне найпотужнішими телескопами. Світ став безмежним.

Ілюстрація внизу – не малюнок; це фотографія, зроблена за допомогою розміщеного на орбіті телескопа Габбла. Він дає незрівнянно чіткіше зображення неба, ніж хто-небудь міг раніше бачити за допомогою потужних телескопів: неозброєному оку це здавалося б малесеньким клаптиком абсолютно чорного неба. Крізь телескоп Габбла величезні віддалені об’єкти з’являються на світлині як пил. Кожна темна крапка – це зображення галактики, що містить сотні мільярдів сонць, подібних до нашого. Спостереження останніх кількох років показали, що навколо більшості цих зірок обертаються планети. Можливо, у Всесвіті є тисячі мільярдів мільярдів мільярдів планет, подібних до Землі. І хоч би в якому напрямку ми подивилися – з’являється ось що:

Мал. 6

Але ця безкінечна одноманітність – зовсім не те, що здається. Як я пояснював у першому уроці, простір не плаский, а викривлений. Нам складно уявити текстуру Всесвіту з його спалахами галактик, що рухаються на хвилях, подібних до морських, інколи таких бурхливих, що утворюються отвори, які ми звемо чорними дірами. Що ж, погляньмо знову на зображення, щоб