Сім маленьких розділів про будову світу
Карло Ровеллі — основоположник теорії петльової квантової гравітації, він намагається пов’язати фізичні теорії, що спираються на різні принципи: загальну теорію відносності та квантову фізику. У разі успіху це дозволить йому та його колегам закрити білі плями в науці про закони природи та побудувати універсальну теорію всього. У своїй книзі «Сім етюдів з фізики» Ровеллі стверджує, що вищезгадані теорії здебільшого не суперечать одна одній, а дивляться світ під різними кутами. Він говорить про складні речі просто і зрозуміло, адже його етюди — це розширена версія серії статей із додатку італійської газети Il Sole 24 Ore, які він писав спеціально для тих, хто майже чи зовсім нічого не знає про сучасну науку. Невеликі витончені етюди про фізику дають загальне уявлення про найкращі у XX столітті відкриття та загадки цієї дивовижної науки і будуть цікаві та корисні всім без винятку читачам.
Етюд 1. Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна
1905 року престижний науковий журнал Німеччини «Аннали фізики» опублікував одразу кілька статей недавнього випускника швейцарського політехнічного вузу Альберта Ейнштейна. Одна їх описувала його першу теорію відносності, пізніше названу спеціальної. Стаття пояснювала, що час протікає однаково всім: справжнє суб’єктивно . Незважаючи на її визнання вченими і посипалися після цього на Ейнштейна пропозиції про роботу, його теорія не погоджувалася з законом всесвітнього тяжіння Ісаака Ньютона, що існував.
Ейнштейн працював над цією проблемою протягом 10 років і в результаті опублікував загальну теорію відносності – російський фізик Лев Ландау назвав її найкрасивішою з існуючих фізичних теорій .
Ньютон пояснював падіння предметів та обертання планет дією сили тяжіння, яка, наче магніт, притягує матеріальні тіла одне до одного. Простір Всесвіту він представляв містким контейнером або величезною коробкою, де всі об’єкти переміщаються по прямій лінії, поки сила не змусить їх шляхи зігнутися. З чого складається цей світовий контейнер і як сила тяжіння діє віддалені один від одного об’єкти, залишалося загадкою.
Англійці Джеймс Максвелл і Майкл Фарадей ще до появи на світ Ейнштейна додали в ньютонівський світ важливий елемент: електромагнітне поле, що вагається і наповнює простір. З юності зачарований електромагнітним полем, що крутить ротори електростанцій, що їх будував його батько, Альберт Ейнштейн зрозумів, що гравітація (взаємодія матеріальних тіл чи об’єктів) на нього схожа. Його осяяло, що простір і гравітаційне поле — одне й те саме . Ми не всередині жорсткої конструкції: Земля крутиться навколо Сонця, тому що знаходиться в просторі, що згинається і крутиться в ньому, як кулька у вирві.
Відповідно до загальної теорії відносності, простір та час викривляються. Далі від поверхні землі час летить швидше: близнюк, що живе біля моря, трохи молодший за родича-горця. Часом простір викривляється настільки, що зникає — перетворюється на чорну дірку. Це відбувається при згорянні великої зірки: її залишки стискаються в одну точку.
Крім того, Ейнштейн прозорливо припустив, що простір постійно розширюється і колишається . Його розширення, запущене Великим вибухом тоді ще маленького і дуже гарячого Всесвіту, вперше зареєстрували 1930 року.
«Теорія [відносності] описує багатобарвний і приголомшливий світ, де всесвіти вибухають, простір хлопається в бездонні дірки, час сповільнюється поблизу планет і безмежним міжзоряним простором біжить бриж, немов по поверхні моря …» — підбиває підсумки першому розділі Карло Ровеллі.
Етюд 2. Квантова механіка
Теорія квантової механіки зародилася в 1900 році, коли німець Макс Планк за допомогою досвіду з гарячим ящиком представив енергію електричного поля розділеної на порції – кванти . До цього панувала думка, що енергія безперервна.
Пізніше Ейнштейн у статті, за яку отримав Нобелівську премію, показав, що з «цеглинок» складається і світло. Сьогодні ми називаємо порції світла фотонами.
Планк виявився “біологічним батьком” теорії, Альберт Ейнштейн її “виховав”. Далі вона розвивалася завдяки «наставникам» — данцю Нільсу Бору та німцю Вернеру Гейзенбергу.
У 20–30-ті роки XX століття Нільс Бор зрозумів, що енергія електронів усередині атомів набуває лише конкретних значень: електрони скачуть по атомних орбітах, виділяючи або поглинаючи певну кількість енергії .
Електрон – елементарна частка з негативним електричним зарядом. Входить до складу атомів поряд із протонами (з позитивним зарядом), нейтронами (з нейтральним зарядом) та іншими частинками. Число електронів і протонів в атомі завжди однаково: воно відповідає порядковому номеру елемента таблиці Менделєєва.
Кращі уми того часу почали вивчати ці квантові стрибки в Копенгагенському інституті Бору.
Вернер Гейзенберг, який написав перші рівняння, припустив, що електрони матеріалізуються, тільки коли з чимось стикаються . Вони не мають конкретного місця. Реальність ніби намальована пунктиром. Квантові стрибки – єдиний спосіб електронів стати реальними. У цьому стрибки випадкові. Не можна спрогнозувати, де точно з’явиться електрон, можна лише розрахувати ймовірність, з якою він десь виявиться . Це було дуже незвичайно для фізики, в якій традиційно панували суворі закони.
Ейнштейн висунув Гейзенберга на Нобелівську премію з фізики, визнавши важливість його робіт, але при цьому бурчав, що у твердженнях колеги мало сенсу. Ейнштейн, який піддав сумніву основи ньютонівської фізики, тепер сумнівався, що «світ не може бути настільки дивним». Суперечки з Бором зайняли довгі роки. Два великі фізики так і не дійшли спільної думки, їх дискусії відображені в листах, статтях та лекціях. При цьому Бор відкрито захоплювався генієм Ейнштейна, і після його смерті на дошці грифельної в кабінеті Нільса Бора виявили зображення наповненого світлом ящика, який вигадав автор теорії відносності.
«До самого кінця — прагнення сперечатися із самим собою, аби зрозуміти більше. І до останнього – сумнів», – пише Ровеллі.
Сьогодні квантова механіка відіграє важливу роль не тільки у фізиці, а й у хімії, біології, інженерії та технологіях. Без неї не було б транзисторів — радіоелектронних компонентів, що лежать в основі сучасної електроніки.
Квантова теорія розкрила питання, пошук відповіді які ще триває. Що є вона сама — випадково працюючий прорахунок, шматок пазла чи ключ до першооснови світу? Таким питанням задається автор книги.
Етюд 3. Макрокосм: карта уявлень про Всесвіт
Карло Ровеллі описує шість основних уявлень про наш Всесвіт.
1. Тисячоліттями люди представляли космос примітивно: унизу Земля, вгорі небо.
2. 26 століть тому Анаксимандр замінив попередню схему. Він представив Землю як величезну брилу, що ширяє в просторі: небо почало оточувати її з усіх боків (а не тільки зверху).
3. Потім Парменід або Піфагор (напевно не відомо) припустив, що Земля має сферичну форму. Аристотель доводив це у трактаті «Про небо». Він також був упевнений, що і Земля, і інші небесні тіла, що крутяться навколо неї, мають круглу форму. Арістотелівська картина світу «прожила» аж до кінця Середніх віків: таке уявлення про світ отримали Данте та Шекспір.
4. Наступний прорив зробив на початку XVI століття Микола Коперник, який зрозумів, що у центрі хороводу планет розташоване Сонце. Наша планета стала однією серед інших, що обертаються навколо своєї осі та навколо спільного світила.
5. Пізніше завдяки покращеним приладам стало зрозуміло, що Сонце — лише одна зірка зі ста мільярдів інших зірок у нашій Галактиці, а Сонячна система — одна з багатьох систем.
6. У 1930-х роках точні астрономічні виміри показали, що наша Галактика сама — порошинка у величезній хмарі галактик. Знімок, зроблений телескопом «Хаббл», показав глибше зображення неба, ніж вдавалося побачити:
Кожна чорна крапка на зображенні (для неозброєного ока все небо було б чорним) — галактика. В останні кілька років вдалося побачити, що в цих галактиках довкола більшості зірок, схожих на наше Сонце, обертаються планети, яких у Всесвіті мільярди.
Враховуючи, що простір викривлений, іноді настільки сильний, що виникають провали — чорні дірки, Всесвіт похитується у величезних хвилях, подібних до морських.
Цей безмежний гнучкий космос, поцяткований галактиками і 15 млрд років, що розвивався, виник з гарячої і щільної хмаринки, тому історію Всесвіту схематично можна представити так:
Всесвіт почався з маленької кульки, а потім розширився до сьогоднішніх розмірів. Це сучасне і найбільше масштабне бачення Всесвіту з усіх, що ми знаємо. Чи існують інші схожі чи несхожі всесвіти, науці поки що не відомо.
Етюд 4. Мікрокосм: елементарні частинки матерії
Світло складається з фотонів, а об’єкти, які можна доторкнутися до рук, — з атомів. Усередині кожного атома є ядро. Воно оточене електронами. А в самому ядрі мешкають протони та нейтрони, що складаються з ще менших частинок – кварків.
Назва «кварк» має літературне коріння. Американський фізик Мюррей Гелл-Манн назвав ці частинки, надихнувшись фразою з твору Джеймса Джойса “Поминки по Фіннегану”: “Три кварки для майстра Марка!”
Кварки всередині протонів та нейтронів «склеюють» глюони (від англ. glue – Клей).
Фотони, електрони, кварки, глюони та інші елементарні частинки (загалом їх менше 10 типів) — компоненти всього навколо нас. Вони, як маленькі деталі гігантського конструктора, вибудовують навколишню матеріальну дійсність.
Порожнечі, де нічого немає, немає. Поля, що формують матеріальний світ, коливаються, а елементарні частинки під впливом цих рухів безперервно виникають і зникають. Їхнє життя швидкоплинне. Мікросвіт, який описує квантова механіка і теорія елементарних частинок, — це світ подій, а не об’єктів.
Теорію, що отримала назву «стандартна модель елементарних частинок», з 1950-х років вибудовували Річард Фейнман, Мюррей Гелл-Манн, Пітер Хіггс та інші фізики. Незважаючи на успішні експерименти, вчені не сприймають її надто серйозно. Вона складається з різних рівнянь, зібраних без явного порядку. До того ж ці рівняння далекі від елегантної простоти рівнянь загальної теорії відносності та квантової механіки. Один із авторів перших та головних рівнянь «стандартної моделі» Поль Дірак в останні роки життя був незадоволений таким станом речей: казав, що проблему ще не вирішено.
Крім того, останнім часом навколо кожної галактики астрономи спостерігають велику хмару речовини, що впливає на зірки гравітаційним тяжінням і заломлює світло. Цю величезну хмару не можна побачити безпосередньо, і невідомо, з чого вона складається. Очевидно, що там є щось, але вчені поки не знають, що конкретно. Сьогодні це щось, відмінне від фотонів та атомів, називають темною матерією.
На світі є багато що фізикам і не снилося. Але «стандартна модель» — як і раніше, найкраще, що ми маємо для світу об’єктів. Крім чорної матерії та гравітації, «стандартна модель елементарних частинок» добре визначає кожен аспект сприйманого світу. Служителі науки висували альтернативні теорії, але вони були експериментально спростовані. Можливо, вчені ще навчаться дивитися на «стандартну модель» під кутом, який виявить її приховану витонченість та простоту.
Сьогодні відомо, що матерія — це жменька елементарних частинок, які безперервно коливаються між існуванням і неіснуванням, мелькають у просторі, навіть коли здається, що воно порожнє, і об’єднуються, створюючи нескінченність.
Етюд 5. Петльова квантова гравітація
Оскільки загальна теорія відносності суперечить теорії квантової механіки, група фізиків-теоретиків із різних куточків світу намагається їх об’єднати . Напрямок досліджень, у якому вони працюють, називається петльовою квантовою гравітацією. Її прихильники з 80-х років XX століття прагнуть зрозуміти простір, час і матерію трохи краще, ніж дозволяють попередні фізичні теорії.
Студент, який слухає лекції з теорії відносності та квантової механіки, змушений представляти світ то викривленим безперервним простором, то плоским — із квантами енергії, що скачуть.
Теорія петльової квантової гравітації стверджує, що гнучке, динамічне простір, що згинається, складається з дрібних «пісчинок » — квантів гравітації, в мільярди разів менших, ніж найменше атомне ядро. Кванти сплетені між собою як кільця кольчуги, тому їх прозвали петлями.
Теорія описує Всесвіт, у якому кванти простору і матерії нескінченно взаємодіють друг з одним. Отже часу, звичної нам послідовності моментів, не існує. Це лише ілюзія, наше сприйняття процесів, що відбуваються лише на рівні елементарних частинок.
Якби у людства була потужна лупа, вона показала б круп’янистість чи пористість простору:
Поки вчені не можуть перевірити теорію петльової квантової гравітації досвідченим шляхом, зате вигадали кілька гіпотез.
Одна з них пов’язана із чорними дірками. Згідно з теорією, речовина зниклих зірок не могла просто втиснутися в крапку, а мала максимально ущільнитися до стану планківської зірки .
Якби Сонце трансформувалося в чорну дірку, її діаметр становив би приблизно 1,5 км. Всередині її речовина світила стиснулася б до планківської — розміром з атом, а потім почала б знову розширюватися, що спровокувало б вибух чорної діри. Уявний спостерігач, який осідлав планківську зірку, побачив би цей процес як рикошет на колосальній швидкості. Але з тієї ж причини, через яку в горах час летить швидше, ніж біля моря, те, що «вершник» усередині чорної діри бачить дуже швидким, зовні справляє враження неймовірно довгого. Тому для нас чорні дірки не змінюються цілої вічності. На думку ж фізиків, чорні дірки — це зірки, що розширюються, які людство спостерігає в ніби сильно уповільненій зйомці.
Можливо, деякі зі сформованих у перші миті Всесвіту темні діри зараз вибухають. Якщо це так, то фізики зафіксують їхнє розширення. Якщо ж ні, це означатиме, що у первородному Всесвіті було мало чорних дірок. Так чи інакше, пошук сигналів уже розпочався.
Інше припущення петльової теорії стосується походження нашого світу: Великий вибух насправді міг бути Великим відскоком . Можливо, сьогоднішній Всесвіт утворився з попереднього — того, що стиснувся до обсягу волоського горіха, а потім відскочив і знову почав розширюватися. У мить відскакування простір і час зникли, а світ розплився в хмару ймовірностей, що роялася. Тоді схема розвитку Всесвіту виглядає так:
Етюд 6. Теплота, ймовірність та час
В одному ряду з вищеописаними теоріями про базові складові світу стоїть ще один значний пласт фізики — термодинаміка. Її виникнення спричинило питання: що таке теплота? До 50-х років ХІХ століття фізики думали, що теплота – це рідина (вони називали її “теплород”). Але австрієць Людвіг Больцман і британець Джеймс Максвелл здогадалися, що в гарячій речовині немає теплороду — у ньому просто швидше рухаються атоми . Звичайно, вони рухаються весь час, але в холоді вони роблять це повільніше.
Як відомо, теплота передається від гарячих речовин до холодних. Чому не інакше? Це відбувається випадково. Больцман з’ясував, що швидкий атом гарячого тіла, вдарившись об повільний холодний, з більшою ймовірністю поділиться з ним своєю енергією, ніж частка холодного — з частинкою гарячого. Зазвичай енергія розподіляється поступово. Гаряче тіло може стати гарячішим від контакту з крижаним, але це малоймовірно.
Пов’язана з обмеженим знанням можливість стосується більшості фізичних об’єктів: ми не всі про них знаємо, тому можемо тільки намагатися передбачати.
Наша здатність передбачити поведінку ложки та повітряної кульки обмежена неповним набором їх властивостей, з якими ми контактуємо, та нашим способом взаємодії з ними. Наявних даних недостатньо, щоб спрогнозувати траєкторію польоту кулі, що здувається після розв’язування на ньому мотузочки. Але їх вистачає, щоби передбачити нагрівання ложки в гарячій воді.
Як поводиться при нагріванні гравітаційне поле, поки що не відомо. По ідеї простір і час повинні вагатися, але фізики ще не змогли правильно описати час, що коливається. Ці питання народжують ще фундаментальніше: що таке «зараз» і чи можна говорити про перебіг часу?
За словами автора книги, у масштабах Всесвіту чогось відповідного поняття «зараз» не буває .
Ейнштейн писав родичці померлого друга: «Мікеле залишив цей дивний світ трохи раніше за мене. Це нічого не значить. Люди на кшталт нас, які вірять у фізику, знають, що різницю між минулим, сьогоденням і майбутнім лише ілюзія».
“Через обмеженість нашої свідомості ми сприймаємо тільки розмитий образ світу і живемо в часі”, – пояснює Ровеллі.
Але тоді чому люди відчувають перебіг часу та поділяють події на «було», «є» та «буде»? Фізична загадка, що лежить в основі клубка загальної теорії відносності, квантової механіки та термодинаміки, очікує на розшифровку: теорії, що з’єднує всі три фундаментальні знання, поки що немає. Лише невелику підказку дають розрахунки Стівена Хокінга, які показали, що чорні дірки постійно випромінюють тепло. У тих, за якими фізики вже спостерігали, тепло слабке, проте обчислення Хокінга перевірені та загальновизнані. Автор упевнений, що відповідь про природу часу буде ґрунтуватися на теплоті.
Етюд 7. Людство як частина світу
Яку роль відведено людям у світі, який описує сучасна фізика? Ми також складаємося з атомів. Ми – частина природи, вона – наш дім. І в нашій природі – бажання дізнатися більше . При цьому ми ще й навчаємось поступово змінювати свою систему понять.
Наше вивчення світу схоже на пошуки антилопи. Мисливці вивчають сліди тварини – натяки на те, чого не можна побачити безпосередньо. Вони розуміють, що можуть помилитися, і готові змінити напрямок, якщо з’явиться новий слід. Але знають також, що коли намагатимуться, то знайдуть, що шукають. Знання цінне: упіймавши антилопу, люди зможуть поїсти.
Автор книги прогнозує у невизначеному майбутньому загибель нашої цивілізації — на зразок тієї, що зазнали майя чи мінойці, — або повне вимирання виду homo sapiens. На його думку, ми не маємо шансів на виживання, бо несемо руйнування планеті — нашому дому.
Проте поціновувач природи та життя Ровеллі продовжує шукати відповіді на наукові питання. Він зачарований таємницями та красою світу, що сяють на кордоні між відомим та невідомим:
«Ми народжуємось і вмираємо, як народжуються та вмирають зірки. Життя дороге тому, що швидкоплинне».
10 найкращих думок
1. Найважливіші розуміння устрою світу теорії останніх років — загальна теорія відносності, квантова механіка, стандартна модель елементарних частинок і термодинаміка.
2. Фізики-теоретики намагаються об’єднати суперечливі один одному загальну теорію відносності та квантову механіку за допомогою петльової квантової гравітації. Теорії, здатної логічно приєднати до цього знання термодинаміку, досі немає.
3. Уявлення про Всесвіт протягом тисячоліть змінювалося від примітивного «внизу Земля — вгорі небо» до безмежного гнучкого космосу з тисячами галактик , у складі яких є безліч систем на кшталт нашої Сонячної.
4. Відповідно до загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, час та простір викривляються. Простір постійно розширюється і колишається, а часом хлопається в чорну дірку. За майже 15 млрд років після Великого вибуху Всесвіт розширився від маленької хмарки до сьогоднішніх розмірів.
5. Теорія квантової механіки стверджує, що енергія складається з порцій або «цеглинок» – квантів. Вона може набувати лише певних значень. Електрони всередині атома у випадковому порядку перескакують з однієї орбіти на іншу і не мають певного положення — вони матеріалізуються лише тоді, коли з чимось взаємодіють.
6. Стандартна модель елементарних частинок описує матеріальну дійсність як таку, що складається з фотонів, електронів, кварків, глюонів та інших дрібних елементів. Вони виникають і зникають, миготять у просторі, а порожнечі не існує. Стандартна модель добре пояснює все, окрім темної матерії та гравітації.
7. Петльова квантова гравітація стверджує, що гнучке, динамічне, що згинається простір складається з квантів, які у багато разів менше атомного ядра, сплетені один з одним, як кільця кольчуги, і постійно взаємодіють.
8. Теорія петльової квантової гравітації дозволила побудувати дві важливі гіпотези : про планківські зірки, які зхлопнулися в чорні дірки і зараз розширюються, і про Великий відскок, в результаті якого виник наш Всесвіт.
9. Час – лише ілюзія : спільного для всього Всесвіту сьогодення не існує. На рівні фізики майбутнє відрізняється від минулого розподілом теплоти.
10. Відповідей на такі питання, як «Чи існують інші всесвіти, крім нашої?», «Як поводиться гаряче гравітаційне поле?» і “Яка справжня природа часу?”, все ще немає.