Краткая теория времени

К концу XIX века трудности, возникавшие в этом едином собрании то здесь, то там, превысили критическую массу, и в первой четверти XX века вековые основания физики были обращены в прах квантовой механикой и общей теорией относительности. Мир утратил прекрасное единство ньютоновской Вселенной.

Две новые теории добились огромного успеха и постоянно подтверждались экспериментами. Сейчас они стали законными частями установившегося знания. Каждая из них меняет базу классической физики со своей стороны, но у нас нет концептуально связанной картины, которая включала бы обе теории. Вследствие этого мы не можем предсказывать события там, где тяготение начинает проявлять признаки квантовых эффектов, там, где расстояние меньше 10^–33 сантиметров. Это крайне малые масштабы, но следовало бы уметь описывать то, что происходит в них. Вселенная не может подчиняться законам, соответствующим двум разным и несовместимым теориям. В природе действительно происходят процессы на столь микроскопическом масштабе – вблизи момента Большого взрыва или рядом с черной дырой, например. И если мы хотим понять такие явления, то должны уметь вычислять, что происходит на уровне ничтожно малых масштабов. Значит, нужно тем или иным способом примирить две теории. Эта задача и представляет собой центральную проблему квантовой гравитации.

Как видно, проблема сложная. Но, со всей неустрашимостью своих двадцати лет, я решил на последнем курсе университета посвятить жизнь ее исследованию. Меня соблазняла мысль об изучении таких фундаментальных категорий, как время и пространство, и даже само то, что проблема представлялась неразрешимой.

В Италии тогда никто над ней не работал. Мои профессора убеждали меня не устремляться в этом направлении: «Эта дорога никуда не приведет», «Ты никогда не найдешь работу», «Лучше тебе присоединиться к сильному коллективу, твердо стоящему на ногах». Но такие советы от благоразумных зрелых людей часто только усиливают веселую решимость молодого человека. Ребенком я читал сказки итальянского писателя Джанни Родари. В одной из них рассказывается про Джованнино и дорогу, которая никуда не ведет. Этот персонаж жил в деревне, где есть такая дорога. Из любопытства и упрямства он захотел пойти по ней – вопреки всему, что слышал от других. Отправившись в путь, он, конечно же, обнаружил замок с принцессой, которая осыпала его драгоценными камнями. Когда он вернулся в таком виде в деревню, все тоже бросились бежать по той дороге, но никто не нашел никакого сокровища. Эта история запала мне в душу. В случае с квантовой гравитацией я тоже нашел дорогу, которая, по общему убеждению, никуда не вела. Пойдя по ней, я отыскал свою принцессу и немало драгоценных камней.

2. Пространство, частицы и поля

Поговорим подробней о происхождении и о сути проблемы квантовой гравитации. И начнем с ключевого понятия – понятия пространства, которое первым среди прочих было поколеблено в истории науки. Потом я покажу, что понятие времени должно подвергнуться еще более впечатляющей трансформации.

Представление о пространстве, лежащее в основе наиболее знакомой нам картины мира, – это представление об огромном «ящике», в котором мир и находится. В этом ящике все единообразно, все совершается по одним и тем же законам, без каких-либо привилегированных направлений движения. Здесь применима геометрия Евклида, здесь развертываются мировые процессы. Все известные нам объекты состоят из частиц, находящихся в этом пространстве-ящике. Теория всемирного тяготения Ньютона была создана для такого пространства. А ньютоновская теория тяготения еще и сейчас остается базовой для бесчисленных технологических и инженерных применений физики во всех сферах.

Через двести лет после Ньютона, в конце XIX века, Джеймс Клерк Максвелл и Майкл Фарадей занимались изучением электрической энергии в пространстве между двумя заряженными телами. Их исследование привело к тому, что они изменили известное описание пространства. Рядом с ньютоновским пространством и частицами появился третий компонент – электромагнитное «поле», новый «объект», и он имел огромную значимость для всех будущих физических исследований.

Электромагнитное поле – это то, что лежит в основе электрической и магнитной сил. Поле – рассеянная целостность, которая заполняет все пространство. Фарадей представлял его как единство множества линий[2], исходящих из положительных электрических зарядов в направлении к отрицательным. На рисунке 1 показаны такие линии. В действительности их число бесконечно и ими без разрывов можно заполнить все пространство, они как нити нематериальной паутины, пронизывающей три пространственных измерения.

Через любую точку проходит одна из линий Фарадея. Направление этой линии в данной точке указано вектором (маленькой стрелкой), касательным к линии. Поле проявляется как электрическая сила, действующая на находящийся в этой точке электрический заряд в направлении, обозначенном вектором.