Оглавление

Вселенная — это лук
Albert J. Spooky
ВСЕЛЕННАЯ — ЭТО ЛУК

Или: как я обнаружил, что время может идти и назад, а современная физика — это хорошо рассказанная ложь

暈 ПРЕДИСЛОВИЕ «Дорогой читатель, если ты хочешь убаюкать себя успокаивающей чушью физиков, ты перепутал полку. Если же ты хочешь узнать, почему вселенная, вероятно, пахнет малиной, но всё равно является луком… добро пожаловать в бардак.»

ЧАСТЬ I — РЕЗКИЙ РАЗРЕЗ ЛУКУ

Диагноз физики, которая работает… но не очень

 Глава 1 — «Физика — это хорошо рассказанная ложь» Или: как мы построили ракеты, компьютеры и GPS, ничего не понимая о времени

Дорогой читатель, добро пожаловать в мир современной физики. Место, где всё работает идеально… пока ты не задаёшь слишком много вопросов.

Это как тот раз, когда ты собирал мебель IKEA, следуя шведским инструкциям, переведённым на китайский пьяным роботом: в итоге мебель стоит, на неё даже можно поставить телевизор, но если кто-то спросит тебя, почему она работает, ты покажешь оставшиеся винты и смениешь тему.

Физика примерно такая же. Мы построили спутники, которые определяют твоё местоположение с точностью до сантиметров, компьютеры, которые побеждают чемпионов мира по шахматам, и ракеты, которые возят людей в космос туристами. Всё идеально, всё работает, всё невероятно точно.

Но если ты остановишься на минутку и спросишь: «Извините, а что такое время?» — вот тогда физики начинают смотреть себе под ноги, как подростки, пойманные за курением за школой.

Потому что правда такова: современная физика — это лучшая ложь в истории человечества. Не то чтобы она была неправильной, просто… неполной. Как фантастический торт, в котором не хватает каких-то основных ингредиентов, но который ты всё равно подал, потому что гости уже приходили.

И гости — то есть мы — были так впечатлены тортом, что никогда не просили полный рецепт.

Ньютон и яблоко: Когда гравитация была простой, как падение с кровати

Начнём с самого начала. Жил-был парень по имени Исаак Ньютон, который сидел под яблоней, вероятно, думая о своём, когда БУХ — яблоко падает ему на голову.

Большинство людей подумали бы: «Проклятые яблоки, я испачкал парик.»

Ньютон же думает: «Подождите-ка. Почему это яблоко падает вниз, а не вверх? И почему оно падает именно с такой скоростью? А что если та же сила, что заставляет яблоко падать, удерживает Луну на орбите вокруг Земли?»

Вот это момент, когда рождается современная физика. Не с «Эврика!», а с «Хм, как странно.»

Ньютон, у которого явно было слишком много свободного времени (и вероятно, слишком мало Netflix), решает превратить это наблюдение в математическую теорию. И вот здесь приходит гениальная идея: вместо того чтобы ограничиться словами «вещи падают просто так», он изобретает революционную концепцию, называемую всемирным тяготением.

Идея проста и прекрасна: всё во вселенной притягивает всё остальное. Земля притягивает яблоко, яблоко притягивает Землю (очень слабо, но притягивает), Солнце притягивает планеты, ты притягиваешь свой телефон, когда он выпадает из кармана. Это большая космическая вечеринка, где все договариваются обняться.

Но вот интересный момент: Ньютон не объясняет, почему это происходит. Он говорит: «Смотрите, я даю вам формулу для вычисления, насколько сильно притягиваются два объекта. Почему — разберётся кто-нибудь другой через пару веков.»

И здесь начинается наша история хорошо рассказанных лжи.

Ньютон представляет свою теорию гравитации как будто она полная. И действительно, она работает отлично: предсказывает орбиты планет, объясняет приливы, позволяет стрелять из пушек с миллиметровой точностью. Она настолько эффективна, что 200 лет никто не задавался вопросом: «Да, но что такое гравитация?»

Это как если бы Ньютон сказал: «Вот, гравитация — это то, для чего F = G (m₁m₂) /r². Теперь хватит задавать вопросы и идите строить мосты.»

И мы, как послушные дети, перестали задавать вопросы и пошли строить мосты. Что, признаю, было очень полезно.

Но была одна маленькая проблемка, которую Ньютон спрятал под ковёр, как то пятно от вина, которое ты притворяешься не замечающим, когда приходят гости. Проблемка называлась действие на расстоянии.

Если Земля притягивает Луну, как она это делает? Что проходит между Землёй и Луной, чтобы сообщить: «Эй, Луна, иди сюда!» И Луна отвечает: «Сейчас приду, Земля!»

Сам Ньютон признавал, что концепция действия на расстоянии ему не очень нравилась. В частных письмах он писал что-то вроде: «Идея о том, что одно тело может воздействовать на другое через пустоту без посредников, кажется мне настолько абсурдной, что не думаю, что любой компетентный в философских вопросах человек может в это поверить.»

Переводя: «Ребята, эта штука с гравитацией, которая действует мгновенно через пустоту, кажется мне чушью. Но формула работает, так что давайте притворимся, что всё в порядке.»

И 200 лет мы притворялись, что всё в порядке.

Пока не пришёл парень с усами и высунутым языком, который сказал: «Подождите, у меня есть идея получше.»

Эйнштейн и поезд: Относительность для чайников (спойлер: мы все чайники)

Парня звали Альберт Эйнштейн, и он собирался всё усложнить необратимо.

Альберт Эйнштейн был методичным типом. Ему нравилась упорядоченная, предсказуемая вселенная, где причины предшествовали следствиям и ничто не двигалось быстрее света. Немецкая вселенная, короче говоря.

Потом пришла квантовая механика и полностью испортила ему день. Но это другая история. Пока сосредоточимся на том, как Эйнштейн решил проблему Ньютона… создав ещё десять новых.

В 1905 году Эйнштейн ехал в поезде (мысленно, конечно, он не ездил постоянно в поездах, как фрустрированный пассажир) и задался вопросом, который ни один здравомыслящий человек никогда бы не задал: «А что если я буду двигаться со скоростью света и включу фонарик, что произойдёт?»

Согласно классической физике — ньютоновской, если понятно — ответ должен быть простым: свет от фонарика должен лететь со скоростью света плюс скорость поезда. Как когда ты идёшь по движущейся дорожке в аэропорту: ты идёшь со скоростью 5 км/ч, дорожка движется со скоростью 3 км/ч, итого 8 км/ч. Математика первого класса.

Но Эйнштейн столкнулся с проблемкой под названием «эксперименты Майкельсона-Морли», которые показали очень неловкую вещь: свет всегда движется с одинаковой скоростью, что бы ты ни делал. Всегда. ВСЕГДА.

Это как если бы ты бежал навстречу приближающемуся автобусу и обнаружил, что неважно, как быстро ты бежишь, автобус всегда приближается с той же скоростью. Бежишь к нему? Та же скорость. Убегаешь в противоположном направлении? Та же скорость. Становишься на голову? Угадай? Та же скорость.

Другими словами: c = константа. Всегда. Для всех. Везде.

Большинство людей подумали бы: «Ну, наверное, хронометр сломался.»

Эйнштейн же думает: «Подождите. А что если вселенная странней, чем мы думали?»

И вот приходит удар: специальная теория относительности.

Идея одновременно проста и разрушительна для здравого смысла: если скорость света всегда одинакова для всех, то должны изменяться пространство и время, чтобы счёты сошлись.

Ты правильно прочитал: ВРЕМЯ изменяется.

Это не то что твои часы идут медленнее, когда ты быстро двигаешься. Именно само время замедляется. Это не оптический эффект, не иллюзия, не то что ты выпил слишком много кофе. Это реальность, которая изгибается как резинка, чтобы скорость света оставалась постоянной.

И вот первая математическая бомба Эйнштейна: t’ = t√ (1 — v²/c²)

Безобидная формулка, которая говорит: «Если движешься быстро, твоё время замедляется.» Точка.

Это как если бы вселенная была навязчивым бухгалтером, который, лишь бы свести баланс скорости света, готов манипулировать колонками пространства и времени, пока они не сойдутся.

Но Эйнштейн на этом не останавливается. В 1915 году он возвращается с общей теорией относительности, и на этот раз в прицеле Ньютон и его загадочная гравитация.

«Дорогой Исаак,» говорит в сущности Эйнштейн, «ты говоришь, что гравитация — это сила, действующая на расстоянии? Какая там сила. Гравитация — это искривлённое пространство-время.»

Представь, что ты кладёшь шар для боулинга на матрас. Матрас прогибается, правда? Теперь прокати шарик для пинг-понга рядом с шаром для боулинга. Шарик не пойдёт прямо: он последует изгибу матраса и в итоге будет кружить вокруг шара для боулинга.

Вот, по Эйнштейну, именно это и происходит во вселенной. Солнце — это шар для боулинга, пространство-время — матрас, а мы — шарик для пинг-понга, который кружит, следуя изгибам.

Нет никакой загадочной силы, которая притягивает нас к солнцу. Просто пространство-время искривлено, и мы делаем самую естественную вещь в мире: идём прямо в пространстве, которое не прямое.

Всё это сводится к одному из самых элегантных (и ужасающих) уравнений, когда-либо написанных: Gμν = 8πTμν

Где G описывает кривизну пространства-времени, а T описывает материю и энергию. Проще говоря: «Скажи мне, сколько у тебя вещества, и я скажу тебе, насколько изгибается пространство.»

Это гениально. Это элегантно. Работает отлично: предсказывает орбиты с точностью, которая делает Ньютона дилетантом, объясняет, почему свет изгибается, проходя рядом со звёздами, позволяет строить GPS, которые работают.

Но есть одна маленькая деталь, которую Эйнштейн, как и Ньютон до него, спрятал под ковёр с изяществом английского дворецкого, который сметает пыль под диван.

Деталь такова: что такое пространство-время?

Эйнштейн говорит нам, что оно искривлено, что изгибается, что расширяется, что вибрирует как поверхность озера, когда в него бросаешь камень. Отлично. Но ЧТО изгибается? ЧТО вибрирует? Из чего сделано это пространство-время, такое эластичное и податливое?

Это как если бы Эйнштейн сказал: «Видите, гравитация — не сила. Просто космический матрас изгибается.» И мы: «Круто! Но… из чего сделан матрас?» И он: «Эх, детали. Извините, мне нужно идти играть в бридж.»

Сто лет мы принимали, что пространство-время — это «что-то, что изгибается», никогда не спрашивая, что это за что-то. Это как принимать, что машины едут «потому что есть мотор», никогда не открывая капот.

Проблемка: Всё работает, пока не смотришь слишком близко

Теперь вы могли бы подумать: «Хорошо, у нас есть Ньютон, который объясняет, как падают яблоки, Эйнштейн, который объясняет, как работает пространство-время. Проблема решена, идём домой.»

А вот и нет. Потому что физика как та мебель IKEA, которая кажется идеальной, пока не заметишь, что один винт криво закручен, и всё остальное начинает шататься.

Проблемка в том, что когда начинаешь смотреть действительно близко — и под «действительно близко» я имею в виду микроскопы, телескопы, ускорители частиц и все те дорогие штуки, которые обожают физики — замечаешь, что идеальные теории Ньютона и Эйнштейна начинают капризничать.

Начнём с Ньютона. Его классическая механика работает отлично для всего, что мы можем увидеть невооружённым глазом. Хочешь вычислить, когда теннисный мяч, который ты бросил, попадёт в окно соседа? Ньютон. Хочешь отправить зонд на Марс? Ньютон (с небольшими эйнштейновскими поправками, но в основном Ньютон). Хочешь предсказать, когда будет полнолуние? Ньютон на всю жизнь.

Но если попытаешься применить уравнения Ньютона к электрону, кружащему вокруг ядра атома… сюрприз! Электрон должен упасть на ядро за долю секунды, излучая энергию как сумасшедший. По Ньютону, атомы не должны существовать. Что является проблемой, учитывая, что мы состоим из атомов.

«Мелочь,» скажете вы. «Пустяки.»

Тогда перейдём к Эйнштейну.

Общая теория относительности — такая элегантная и точная теория, что вызывает слёзы. Предсказывает чёрные дыры, гравитационные волны, искривление света — вещи, которые Ньютон не представил бы даже в самых психоделических снах.

Но есть одна маленькая, крошечная, незначительная проблемка: общая теория относительности полностью несовместима с квантовой механикой.

Это как если бы у тебя было два идеальных рецепта — один для карбонары, другой для тирамису — но когда пытаешься готовить их вместе в одной кастрюле, получается что-то похожее на содержимое кошачьего лотка.

Эйнштейн описывает пространство-время как гладкую и непрерывную ткань, которая мягко изгибается под весом материи. Физики-квантовики же говорят, что на микроскопическом уровне всё зернистое, вероятностное и прыгает туда-сюда, как гиперактивный ребёнок после трёх Red Bull.

Эйнштейн: «Вселенная детерминистична и элегантна.» Квантовая механика: «Вселенная случайна и странна.» Эйнштейн: «Бог не играет в кости.» Квантовая механика: «Не только играет, но ещё и мухлюет.»

Результат? У нас две теории, которые идеально работают в своей области, но смотрят друг на друга как бывшие на вечеринке. Каждая претендует на объяснение вселенной, но как только пытаешься их совместить, они начинают ссориться.

И это только начало бардака.

Потому что потом есть такие симпатичные детали, как 95% вселенной, которые оказываются состоящими из «тёмной материи», и мы не знаем, что это такое.

Это как обнаружить, что 95% твоего дома сделано из невидимого материала. «Ах да, гостиная поддерживается тёмной материей. Не видишь? Странно, а она есть.»

95% вселенной состоит из «тёмной материи» и «тёмной энергии» — веществ, о которых мы буквально ничего не знаем, несмотря на десятилетия исследований.

Или тот факт, что вселенная расширяется всё быстрее, подталкиваемая загадочной «тёмной энергией», которая имеет любезность существовать, но не объяснить нам, что это такое.

燐 Формулы не кусаются: F = ma (но что означает «ma»? )

Ладно, глубокий вдох. Пришло время взглянуть в лицо зверю: формулы Ньютона. Не убегайте, обещаю, что не больно. Более того, вам будет смешно.

Начнём с самой знаменитой: F = ma

Сила равна массе, умноженной на ускорение. Просто, не так ли?

Но подождите. Что такое сила? «Это то, что заставляет тебя двигаться,» скажете вы. А что такое масса? «Это сколько ты весишь… нет, подождите, это количество материи…» А ускорение? «Это когда едешь быстрее…»

Вот видите? Мы определяем вещи через другие вещи, которые сами не очень понимаем, что такое. Это как если бы я сказал: «Флурбл равен блурфо, умноженному на снаргль.» Очень поучительно.

Ньютон, хитрец, обошёл проблему так: он сказал, что сила определяется как масса, умноженная на ускорение. По сути: «Не спрашивайте меня, что такое сила. Сила — это та штука, которая, когда вы её применяете к массе, заставляет её ускоряться в этой пропорции.»

Это гениально в своей цикличности. Это как определить «счастье» как «состояние быть счастливым.» Технически правильно, но не очень помогает понять, что такое счастье.

Но посмотрим настоящую магию. Возьмём закон всемирного тяготения: F = G (m₁m₂) /r²

Где: • F — сила (которая, как мы только что видели, несколько загадочна) • G — гравитационная постоянная (6,67 × 10⁻¹¹ N⋅m²/kg²) • m₁ и m₂ — массы двух объектов • r — расстояние между центрами двух объектов

Красиво, правда? Но подождите, есть ещё лучше. Эта G, гравитационная постоянная, измеряется экспериментально. По сути, Ньютон сказал: «Ребята, гравитация работает так. Не знаю почему, но если измерите, насколько притягиваются два объекта, и посчитаете, всегда получится это число: 6,67 × 10⁻¹¹.»

Это как если бы я сказал: «Рецепт карбонары всегда требует 42 грамма гуанчиале на 100 граммов макарон. Не спрашивайте, почему 42, но если положите 41 или 43, будет невкусно.»

И вот самое интересное: эта постоянная G — одна из наименее точных физических констант, которые мы знаем. После 300 лет измерений мы всё ещё не уверены в последних десятичных знаках. Как будто вселенная нас троллит: «Эх нет, точное значение не скажу. Разбирайтесь сами, дурачки.»

Но настоящая изюминка в том: если посмотреть на формулу F = G (m₁m₂) /r², заметишь странную вещь. Гравитационная сила зависит от 1/r², правда? Но это означает, что если отодвинуть два объекта очень далеко, сила станет крошечной, но не нулевой, никогда.

Никогда.

Переводя: технически, вы сейчас гравитационно притягиваете галактику Андромеды. Не сильно, конечно. Примерно 10⁻⁴⁰ Ньютона, что меньше силы, нужной для перемещения бактерии. Но математически говоря, есть.

Это создаёт интересную философскую проблему: как Земля «знает», что галактика Андромеды существует? Какими сообщениями они обмениваются? И главное, как это сообщение приходит мгновенно?

Ньютон: «Эх, не знаю. Но формула работает.»

И 200 лет мы довольствовались этим ответом. Что немного как сказать: «Да, машина работает, но понятия не имею, как работает мотор. Ах, и иногда издаёт странные звуки, но пока едет…»

Вот почему формулы не кусаются: потому что они идеальные феноменологические описания вещей, которые мы не понимаем. Они как кулинарные рецепты, написанные кем-то, кто отлично готовит, но не может объяснить, почему это работает.

Иногда непонимание того, как работают вещи, не мешает их использовать. Это как отлично водить машину, не зная, что под капотом.

Проблема возникает, когда мотор начинает издавать странные звуки, а ты продолжаешь говорить: «Ну, пока едет…»

暈 Финальная луковица: «Физика как политика: если работает, не задавай вопросы»

Итак, резюмируем. У нас есть Ньютон, который изобретает гравитацию, но не может объяснить, что это такое. У нас есть Эйнштейн, который переписывает пространство-время, но создаёт больше вопросов, чем решает. У нас есть формулы, которые работают идеально, но основаны на понятиях, которые мы определяем циклично.

И какова была реакция научного сообщества последние 300 лет?

«Отлично! Ничего не трогаем!»

Это точно как политика. У тебя есть система, которая более-менее работает, которая держит конструкцию, которая производит измеримые результаты. Конечно, иногда заедает, иногда делает странные вещи, иногда приходится придумывать фантастические объяснения аномалий. Но работает.

И зачем ставить под сомнение?

GPS работает (хотя должен корректировать относительность каждую микросекунду). Ракеты долетают до Луны (хотя расчёты полны приближений). Мосты стоят (хотя иногда рушатся из-за «непредвиденных обстоятельств»).

Это как политик, который говорит: «Экономика идёт хорошо!» игнорируя тот факт, что 30% граждан не доживают до конца месяца. Технически макроэкономические показатели могут быть даже хорошими. Но что-то не сходится.

Современная физика такая же. «Теория работает!» игнорируя тот факт, что 95% вселенной состоит из загадочной материи, которую мы не знаем, что такое.

Но вот разница между политикой и наукой: в политике, когда что-то не работает, всегда можно свалить вину на предыдущее правительство. В науке, когда что-то не работает, приходится придумывать всё более абсурдные вещи.

«Ах, вселенная расширяется слишком быстро? Должно быть, тёмная энергия!» «Галактики вращаются странно? Должно быть, тёмная материя!» «Частицы ведут себя причудливо? Должно быть, принцип неопределённости!»

Мы создали вселенную, полную «должно быть» и «вероятно» и «согласно нашим моделям». Это как правительство, которое для объяснения дефицита каждый год изобретает новый невидимый налог.

И прекрасно то, что это работает! Как политика, физика умудряется двигать дело вперёд, придумывая творческие объяснения всему, что не сходится.

Но наступает момент в жизни каждого честного учёного (и каждого бдительного гражданина), когда останавливаешься и думаешь: «Минутку. А что если весь этот карточный домик построен на неправильном фундаменте?»

А что если вместо того, чтобы продолжать латать систему, которая трещит, начать сначала с других предпосылок?

Это опасный вопрос. Потому что если задаёшь его серьёзно, потом должен быть готов принять, что может быть, Ньютон, Эйнштейн и все другие гиганты были гигантами… но гигантами, которые строили неполными инструментами.

Не то чтобы они были неправы. Они были правы, но только частично. Как архитектор, который проектирует идеальный дом, но не знает, что у участка есть три подземных этажа.

Их фундамент всё ещё держится, но, возможно, пришло время копать глубже.

Глава 2 — «Когда гиганты ссорятся»

Относительность против квантовой механики: драма развода века

Эйнштейн против Бора: Матч тысячелетия (спойлер: проиграли оба)