Читать книгу Таємниці походження всесвіту - Лоуренс М. Краусс - Страница 7

Коли 1633 року Галілео Галілея судили як єретика за те, що він «вважає за істину лжевчення, яке дехто поширює, що Сонце перебуває в центрі світу», він, стоячи перед інквізиторами Церкви, нібито пробурмотів собі під носа: «І все-таки вона обертається». У цих словах знову проявила себе його революційна натура, навіть попри те, що його змусили публічно пристати на архаїчну точку зору, що Земля є нерухомою.

Хоча Ватикан зрештою змирився з рухом Землі, до бідолашного Бога з Книги Псалмів ця новина так ніколи й не дійшла. Це дещо бентежить, адже, як за рік до суду показав Галілей, стан абсолютного спокою неможливо встановити експериментально. Будь-який експеримент, який виконують у стані спокою, на кшталт підкидання в повітря та піймання м’ячика, матиме ідентичний результат, якщо проводити його в русі зі сталою швидкістю, що, скажімо, може статися під час польоту на літаку за відсутності турбулентності. Якщо ілюмінатори літака закриті, жоден експеримент, який можна провести на його борту, не скаже вам, рухається літак чи стоїть на місці.

Хоча Галілей почав катати реальні кулі й метафоричні бочки ще 1632 року, для повного заспокоєння всіх цих пристрастей (на відміну від предметів, пристрасті можна перевести в стан спокою) знадобилося ще 273 роки. І для цього мав з’явитися Альберт Ейнштейн.

Ейнштейн не був революціонером у тому ж сенсі, що й Галілей, якщо під цим терміном розуміти тих, хто скидає диктат авторитетних попередників, як Галілей зробив з Арістотелем. Ейнштейн зробив прямо протилежне. Він знав, що правила, встановлені на основі експериментів, не можна просто так узяти й відкинути, і те, що він цього не робив, є свідченням його геніальності.

Це настільки важливо, що я ще раз повторюю для всіх тих, хто щотижня чи десь так пише мені про те, нібито вони відкрили нову теорію, яка показує, що все, що, як нині нам здається, ми знаємо про всесвіт, хибне, і для обґрунтування можливості цього як приклад для наслідування використовує Ейнштейна. Ваша теорія не просто неправильна, ви ще й робите Ейнштейну страшенну ведмежу послугу: не можна просто так узяти й відкинути правила, встановлені на основі експериментів.

* * *

Альберт Ейнштейн народився 1879-го – того ж року, коли помер Джеймс Клерк Максвелл. Так і хочеться припустити, що планета була б просто не в змозі винести цих двох геніїв одночасно. Зрештою, то був лише збіг, хоч і вдалий. Якби Ейнштейн не мав своїм попередником Максвелла, він не зміг би стати Ейнштейном. Він належав до першого покоління молодих вчених, які зростали, ламаючи голови над новим знанням про світло й електромагнетизм, що їх згенерували Фарадей та Максвелл. Наприкінці ХІХ століття для шибайголів на кшталт Ейнштейна це був справжній передній край фізики. Світло було у всіх на умі.

Ще підлітком Ейнштейну вистачало кмітливості, щоб збагнути, що чудові результати Максвелла стосовно існування електромагнітних хвиль являли собою фундаментальну проблему: вони були несумісні з отриманими трьома століттями раніше не менш чудовими й добре обґрунтованими результатами Галілея стосовно властивостей руху.

Ще до своєї епічної битви з католицькою церквою з приводу руху Землі Галілей стверджував, що ніхто не може провести жодного експерименту для визначення того, рухається вона рівномірно чи стоїть на місці. Проте аж до Галілея стан абсолютного спокою вважали особливим. Арістотель вирішив, що всі предмети прагнуть стану спокою, а церква вирішила, що спокій настільки особливий, що йому належить бути станом центру всесвіту, а саме планети, на яку Бог помістив нас із вами.

Як і інші твердження Арістотеля, хоча, звісно, далеко не всі, поняття особливості стану спокою вельми інтуїтивне (любителям посилатися на мудрість Арістотеля, апелюючи до його доведення існування Бога як першопричини всякого руху, нагадаємо, що він також стверджував, що в жінок інша кількість зубів, аніж у чоловіків, імовірно, навіть не утруднюючи себе перевіркою).

Усе, що ми бачимо в буденному житті, приходить до стану спокою. Себто все, окрім Місяця та планет, що, імовірно, було однією з причин, чому в давні часи їх вважали особливими й такими, що направляються янголами чи богами.

Проте всі наші відчуття того, що ми перебуваємо в спокої, є ілюзією. У наведеному вище прикладі підкидання та піймання м’яча в рухомому літаку ви зрештою зможете сказати, що літак рухається, коли відчуєте поштовхи турбулентності. Проте навіть коли літак стоїть на аеродромі, він не є в спокої. Аеродром разом із Землею рухається навколо Сонця зі швидкістю приблизно 30 км/с, а Сонце зі швидкістю приблизно 200 км/с рухається навколо галактики й так далі.

Галілей кодифікував це у своєму знаменитому твердженні, що закони фізики є однаковими для всіх спостерігачів, які перебувають у стані рівномірного руху, тобто зі сталою швидкістю та прямолінійно (спостерігачі в стані спокою є лише особливим випадком, коли швидкість дорівнює 0). Під цим він мав на увазі, що над таким предметом неможливо провести жодного експерименту, який би визначив, що він не перебуває в стані спокою.

Якщо подивитися на літак у повітрі із землі, легко побачити, що стосовно вас він рухається. Але на землі чи в літаку неможливо провести жодного експерименту, який би визначив, чи це земля, на якій ви стоїте, рухається повз літак, чи навпаки.

Хоча здається неймовірним, що для усвідомлення цього фундаментального факту про наш світ людям знадобилося стільки часу, він дійсно суперечить значній частині нашого чуттєвого досвіду. Значній, проте не всьому. Галілей використовував приклади куль, які скочувалися нахиленими поверхнями, для демонстрації, що те, що філософи минулого вважали фундаментальною рисою світу – гальмівна сила тертя зрештою змушує предмети прийти до стану спокою – була зовсім не фундаментальною, а натомість маскувала реальність, яка лежала в її основі. Галілей помітив, що коли кулі скочувалися з однієї похилої поверхні й закочувалися на іншу, то за умови гладеньких поверхонь кулі підіймалися на ту ж висоту, з якої скочувалися. Але, розглянувши закочування куль на дедалі менш нахилені поверхні, він показав, що для досягнення такої ж висоти, як вихідна, кулям довелося б подолати більшу відстань. З цього він зробив висновок: якщо нахил другої поверхні повністю прибрати, кулі будуть вічно котитися зі сталою швидкістю.

Ця здогадка мала величезне значення та значною мірою фундаментально змінила спосіб нашого мислення про світ. Вона часто називається просто законом інерції – він же перший закон Ньютона – і заклала підґрунтя для другого закону Ньютона, який пов’язує величину зовнішньої сили, що діє на об’єкт, з його спостережуваним прискоренням. Тільки-но Галілей збагнув, що для підтримання руху предмета з постійною швидкістю жодна сила не потрібна, Ньютон дістав змогу зробити логічний наступний крок та висловити думку, що для зміни швидкості потрібна сила.

Віднині небеса й земля не були фундаментально відмінними одне від одного. Прихована реальність в основі руху буденних предметів також робила очевидним, що безкінечний рух астрономічних об’єктів не був надприродним, тим самим формуючи підґрунтя для Ньютонового закону всесвітнього тяжіння, який іще більше послаблював потребу в участі в житті космосу янголів чи інших сутностей.

Таким чином, відкриття Галілея мало фундаментальне значення для становлення фізики такою, якою ми її знаємо нині. Проте не менш фундаментальне значення мало пізніше максвеллівське об’єднання електричної та магнітної сил, що сформувало математичний каркас, на якому збудована вся нинішня теоретична фізика.

* * *

Почавши подорож цією багатою інтелектуальною місциною, Альберт Ейнштейн швидко помітив глибоку й непримиренну розколину, що її перетинала: Галілей та Максвелл не могли обидва одночасно мати рацію.

Понад двадцять років тому, коли моя дочка була ще немовлям, я вперше замислився над тим, як пояснити парадокс, над яким сушив голову молодий Ейнштейн, і коли я віз її в машині, гарний приклад у буквальному сенсі слова вдарив мене по голові.

Галілей показав, що, доки я їду спокійно, зі сталою швидкістю й без раптових прискорень, закони фізики в нашій машині нічим не відрізнятимуться від законів фізики, виміряних у лабораторіях у фізичному корпусі, куди я саме їхав на роботу. Якби моя доня гралася на задньому сидіння з іграшкою, вона могла б підкинути її вгору та розраховувати піймати її без жодних несподіванок. Інтуїція, яку її тіло виробило для гри вдома, стала б їй у пригоді й у машині.

Проте поїздка на машині не присипляла її, як багатьох інших малих діточок, а змушувала нервуватися й почуватися незручно. Під час тієї поїздки її закачало й знудило струменем, і блювота полетіла за детально описаною Ньютоном траєкторією з початковою швидкістю, скажімо, 15 миль на годину, і, описавши в повітрі красиву параболу, приземлилася мені на потилицю.

Припустімо, у цей момент моя машина рухалася за інерцією перед червоним світлом із порівняно малою швидкістю, скажімо, 10 миль на годину. З точки зору когось, хто спостерігав би все це із землі, блювота рухалася зі швидкістю 25 миль на годину, себто швидкість машини стосовно нього (10 м/год) плюс швидкістю блювоти (15 м/год), і за цієї вищої швидкості (25 м/год) траєкторію її руху в напрямку моєї (цього разу рухомої) голови знов-таки гарно описав би Ньютон.

Поки що все гаразд. Але виникає проблема. Нині, коли моя донька виросла, вона полюбляє водити машину. Скажімо, вона їде за автівкою приятеля й набирає його номер на мобільному телефоні (користуючись із міркувань безпеки гарнітурою), щоб сказати, що йому треба повернути праворуч, аби дістатися туди, куди вони обоє їдуть. Поки вона говорить у телефон, електрони скачуть туди-сюди, породжуючи електромагнітну хвилю (у мікрохвильовому діапазоні). Ця хвиля дістається до мобільника її приятеля зі швидкістю світла (насправді вона йде спочатку на супутник, а потім спрямовується вниз до її приятеля, проте опустімо на деякий час це ускладнення), і він дістає сигнал якраз вчасно, щоб повернути там, де треба.

Якими тепер будуть результати вимірювань, що їх провів спостерігач на землі? Здоровий глузд підказує, що мікрохвильовий сигнал долетить від машини моєї доньки до машини її приятеля зі швидкістю, рівною швидкості світла, яку можна виміряти за допомогою встановленого в машині моєї доньки детектора (позначимо її символом с), плюс швидкість її машини.

Проте здоровий глузд оманливий якраз тому, що ґрунтується на буденному досвіді. А в щоденному житті ми не вимірюємо час, який потрібен світлу чи мікрохвилям, щоб долетіти з одного кінця кімнати в інший чи від одного телефона до сусіднього. Якби здоровий глузд був застосовний до цієї ситуації, це означало б, що хтось на землі (озброєний хитромудрим вимірювальним приладдям) виміряв би коливання туди-сюди електронів у телефоні моєї доньки та спостерігав би випромінювання мікрохвильового сигналу, який поширювався б зі швидкістю, скажімо, с + 10 м/год.

Проте видатним тріумфом Максвелла було доведення, що обчислити швидкість електромагнітних хвиль, випромінюваних коливним зарядом, можна суто шляхом вимірювання сили електрики й магнетизму. Таким чином, якби людина на землі спостерігала, що хвилі мають швидкість с + 10 м/год, це означало б, що для цієї людини сили електрики й магнетизму відрізняються від спостережуваних моєю донькою значень, з точки зору якої хвилі рухаються зі швидкістю с.

Проте Галілей каже нам, що це неможливо. Якби для двох спостерігачів виміряні значення електрики й магнетизму відрізнялися, було б можливо визначити, хто з них рухається, а хто ні, оскільки для кожного з цих спостерігачів закони фізики – у цьому випадку електромагнетизму – набували б різних значень.

Тож правим мав бути або Галілей, або Максвелл, проте не обидва вони одночасно. Можливо, через те, що Галілей працював у ті часи, коли фізика була примітивнішою, більшість фізиків схилялися на бік Максвелла. Вони вирішили, що всесвіт повинен мати якусь систему відліку для абсолютного спокою й що обчислення Максвелла були застосовні винятково до неї. Усі спостерігачі, що рухаються відносно цієї системи відліку, отримали б інші результати вимірювання швидкості електромагнітних хвиль відносно себе, аніж ті, які обрахував Максвелл.

Давня наукова традиція надала цій ідеї фізичну підтримку. Урешті-решт, якщо світло є електромагнітним збуренням, збуренням чого саме воно є? Упродовж тисяч років філософи припускали існування «ефіру», певного невидимого фонового матеріалу, що заповнює весь простір, тож було цілком природно запідозрити, що електромагнітні хвилі поширюються саме в цьому середовищі точно так, як звукові хвилі поширюються у воді чи повітрі. У цьому середовищі електромагнітні хвилі поширюються з певною фіксованою, характерною швидкістю (обрахованою Максвеллом), а для спостерігачів, що рухаються відносно цього фону, ці хвилі рухаються швидше чи повільніше залежно від їхнього відносного руху.

Хоча такий варіант виглядає прийнятним, він є ухилянням від відповіді, оскільки, якщо повернутися до аналізу Максвелла, він означатиме, що всі ці різні спостерігачі, які перебувають у відносному русі, отримають різні результати вимірювання сил електрики й магнетизму. Можливо, це вважали прийнятним, оскільки всі досяжні на той час швидкості були настільки малими порівняно зі швидкістю світла, що будь-які відмінності були б у найкращому випадку мікроскопічними й напевне не фіксувалися б вимірювальними приладами.

Якось на громадському заході, де я був присутній, актор Алан Алда кинув виклик усталеним уявленням, сказавши, що мистецтво вимагає важкої праці, а наука – творчості. Хоча обоє вимагають і того, і того, його варіант мені подобається тим, що робить наголос на творчому, артистичному аспекті науки. Я б іще додав до цього твердження, що обидві ці сфери вимагають інтелектуальної мужності. Сама по собі творчість нічого не варта, якщо вона не застосована на практиці. Якщо відсутня мужність втілити новітні ідеї в життя, вони зазвичай загнивають та відмирають.

Я зараз порушив цю тему тому, що істинним мірилом генія Ейнштейна була, мабуть, не так його математична майстерність (хоча, усупереч усталеним уявленням, він був математично обдарованим), як його творчість та інтелектуальна впевненість, що живили його наполегливість.

Перед Ейнштейном стояло завдання узгодити дві суперечливі ідеї. Відкинути одну з них було легко. Винайдення способу зняти суперечливість вимагало творчого підходу.

Рішення Ейнштейна не було заплутаним, проте це не означає, що воно було простим. Мені це нагадує байку про Христофора Колумба, який перед відплиттям на пошуки Нового Світу виграв у корчмі безкоштовну випивку, побившись об заклад, що зможе змусити яйце стояти вертикально на прилавку. Коли корчмар пристав на його умову, Колумб розплющив кінчик яйця та спокійно встановив його вертикально на прилавок. Зрештою він не казав, що не буде його розбивати.

Ейнштейнове розв’язання парадокса Галілея – Максвелла пішло не далеко від цього. Адже, якщо вони обидва мали рацію, значить для виправлення картини треба було зламати щось інше.

Але що саме? Для того, щоб Галілей і Максвелл були праві одночасно, потрібне було щось вочевидь божевільне: у наведеному прикладі обидва спостерігачі мали б виміряти швидкість мікрохвилі, випроміненої мобільником моєї доньки, і виявити, що стосовно них вона однакова, замість отримати два значення, які відрізнялись би на величину швидкості машини.

Проте Ейнштейн поставив собі цікаве запитання: що, кінець кінцем, означає виміряти швидкість світла? Швидкість визначається шляхом вимірювання відстані, яку щось проходить за певну кількість часу. Тож Ейнштейн став міркувати так: два спостерігачі можуть отримати однакову швидкість руху мікрохвилі стосовно кожного з них, якщо відстань, яку має подолати промінь щодо них за фіксований проміжок часу (приміром, за секунду, відміряну кожним із них у власній системі відліку), буде однаковою.

Але це також дещо божевільно. Розглянемо простіший приклад із летючою блювотою. Згадаймо, що в моїй системі відліку вона пролітає від рота моєї доньки на задньому сидінні мені в потилицю, скажімо, на відстані метра, приблизно за чверть секунди. Але для когось на землі в цей проміжок часу машина їде зі швидкістю 10 миль на годину, що становить приблизно 14,5 фута на секунду. Таким чином, стосовно людини на землі за чверть секунди блювота пролітає приблизно 3,6 фута + 3 фути, разом 6,6 фута.

Отже, для двох спостерігачів відстані, які пролетіла блювота за той самий час, помітно відрізняються. Як же може бути так, щоб для мікрохвиль, які виміряли два спостерігачі, відстані були однаковими?

Першим натяком на можливість такого божевілля є те, що електромагнітні хвилі поширюються настільки швидко, що за час, який потрібен хвилям, аби дістатися від однієї машини до іншої, ці машини майже не пересунуться. Тож будь-яка можлива різниця у виміряній за цей час двома спостерігачами пройденій відстані буде фактично невідчутною.

Проте Ейнштейн поставив цей аргумент із ніг на голову. Він збагнув, що насправді обидва спостерігачі не могли виміряти відстані, подолані мікрохвилями, на відстанях, вимірюваних у людських масштабах, оскільки релевантні значення часу, який потрібен світлу для переміщення на відстані, вимірювані в людських масштабах, настільки малі, що в той момент їх виміряти неможливо. І аналогічно в людських масштабах вимірювання часу світло проходитиме настільки великі відстані, що їх також неможливо виміряти безпосередньо. Отже, хто може бути певним, що таке божевілля не може мати місце насправді?

Далі постало запитання: що потрібно, аби це дійсно сталося? Ейнштейн дійшов висновку, що для того, аби цей на перший погляд неможливий результат став можливим, два спостерігачі мають вимірювати відстані та/або час по-різному, але таким чином, щоб для обох із них світло пройшло ту саму виміряну відстань за той самий виміряний час. Тобто це якби спостерігач на землі у випадку з блювотою виміряв, що блювота пролетіла 6,6 фута, але при цьому також якимось чином порахував, що відрізок часу, протягом якого це сталося, був більшим за той, який я виміряв усередині машини, і, таким чином, обчислена (підрахована) ним швидкість блювоти щодо нього була б такою ж, як та, яку я обчислив щодо себе.

Далі Ейнштейн зробив зухвале припущення, що щось на кшталт такого дійсно відбувається, що Максвелл та Галілей праві одночасно й що всі спостерігачі незалежно від свого відносного стану руху виміряють швидкість будь-якого променя світла стосовно себе як однакову й таку, що дорівнює с.

Звісно, Ейнштейн був науковцем, а не пророком, тож він не просто проголосив щось химерне, обґрунтувавши це своїм авторитетом. Він дослідив наслідки зі свого твердження та зробив передбачення, які можна було перевірити для його верифікації.

Зробивши це, він пересунув ігрове поле нашої оповіді з царини світла в царину особистого людського досвіду. Він навіки змінив не лише значення простору й часу, а й самі події, що керують нашими життями.