В «Семи этюдах по физике» изложены основные концепции теории относительности, квантовой механики, физики элементарных частиц, космологии, каждую из которых в научной среде принято рассматривать независимо друг от друга. Тем не менее в данной книге Карло Ровелли демонстрирует, что все: от удивительного и живущего по своим непонятным законам квантового мира до Вселенной с ее невообразимыми масштабами – может иметь одну и ту же природу и может жить по одним и тем же законам. Более того, автор показывает, что эти теории в большей степени не противоречат друг другу, а являются общим взглядом на наш мир под разными углами, что и составляет целостную картину бытия.
Разработка и описание подобных теорий требуют колоссальных знаний не только по физике, но и по многим разделам других наук, необходимых для построения соответствующих моделей, что делает работу и ориентирование в этой области уделом очень ограниченного круга лиц. Однако отличительной чертой автора является способность говорить о сложных вещах на простом и понятном языке, поэтому данная книга будет полезна всем читателям без исключения, независимо от уровня их образования и научной подготовки.
Ввиду своего объема и научно-популярной ориентированности книга «Семь этюдов по физике» не сможет ответить на все вопросы, возникающие во время ее прочтения. Однако она позволит взглянуть на наш мир с другой, непривычной точки зрения, открывая перед читателем невообразимую красоту и необъятность окружающей нас природы.
Предисловие
Эти короткие этюды написаны для тех, кто почти или совсем ничего не знает о современной науке. Вместе они дают общее представление о самых потрясающих открытиях великой революции, произошедшей в физике в XX веке, и о вопросах и загадках, вскрытых этой революцией. Ведь наука показывает нам, как лучше понять мир, но еще и обнажает всю глубину того, что до сих пор не познано.
Первый этюд посвящен общей теории относительности Альберта Эйнштейна, «самой красивой из существующих физических теорий». Второй – квантовой механике, скрывающей наиболее трудные проблемы современной физики. Третий посвящен космосу: архитектуре Вселенной, которую мы населяем; четвертый – ее элементарным частицам. В пятом этюде речь идет о квантовой гравитации: о попытках свести в единую теорию главнейшие открытия XX столетия. Шестой этюд – о вероятности и о теплоте черных дыр. Последняя глава книги возвращает нас к самим себе, поднимая вопрос, как можно размышлять о нашем существовании в том странном мире, какой описывает физика.
Эти этюды – расширенная версия серии статей, опубликованных автором в воскресном приложении итальянской газеты Il Sole 24 Ore. Я хочу в особенности поблагодарить Армандо Массаренти за то, что он открыл для науки страницы воскресной газеты, посвященные культуре, тем самым позволив осветить значение этой ее неотъемлемой и жизненно важной части.
Этюд первый
Самая красивая из теорий
В юности Альберт Эйнштейн прожил больше полугода довольно бесцельно. Нельзя добиться успеха, не «теряя» времени, – к сожалению, родители подростков часто склонны об этом забывать. Он был в Павии, где воссоединился со своей семьей после того, как бросил обучение в Германии, не вытерпев строгостей тамошней гимназии. Это был конец XIX века, а в Италии – начало промышленной революции. Его отец, инженер, поставлял электроприборы для первых электростанций на Паданской равнине. Альберт читал Канта и посещал отдельные лекции в местном университете – для собственного удовольствия, без зачисления и необходимости думать об экзаменах. Вот так становятся серьезными учеными.
Затем Эйнштейн поступил в политехнический институт в Цюрихе и погрузился в изучение физики. Несколько лет спустя, в 1905 году, он послал три статьи в самый престижный научный журнал того времени – Annalen der Physik. Каждая из них заслуживает Нобелевской премии. Первая показывает, что атомы на самом деле существуют. Вторая закладывает фундамент для квантовой механики, речь о которой пойдет в следующей главе. Третья представляет его первую теорию относительности (сегодня известную как «специальная теория относительности»), теорию, объясняющую, что время течет не одинаково для всех: два идентичных близнеца обнаруживают, что перестали быть одного возраста, если один из них перемещался с большой скоростью.
Эйнштейн в одночасье стал знаменитым ученым и получил предложения о работе из множества университетов. Но кое-что не давало ему покоя: несмотря на мгновенное признание, его теория относительности не увязывалась с тем, что мы знаем о тяготении, то есть с тем, как падают предметы. Он начал осознавать это, когда писал статью, обобщающую его теорию, и задумался, не нуждается ли закон «всемирного тяготения», как его сформулировал сам отец физики, Исаак Ньютон, в пересмотре, чтобы сделать его совместимым с новой концепцией относительности. Эйнштейн с головой ушел в проблему. На ее решение у него уйдет десять лет. Десять лет лихорадочных исследований,