Суперсила - Пол Девис

Для ответа на этот вопрос необходимо вернуться к исходной проблеме – насколько вообще имеет смысл говорить о «Вселенной в целом». Здесь есть аналогия с человеческим обществом. Политик может рассуждать следующим образом: «Я доволен снижением цен, мои друзья также удовлетворены этим; согласно опросам общественного мнения, другие люди также одобряют снижение цен. Следовательно, страна в целом будет удовлетворена снижением цен». Исходное предположение здесь состоит в том, что общество в целом обладает неким коллективным созна­нием, которое отражает мнения его отдельных членов.

Это позволяет считать, что принципы, применимые к отдельной личности, справедливы и для общества в целом. Но подобная аргументация убедительна лишь в том случае, если общество состоит из сходно мыслящих личностей. Разумеется, в вопросе о снижении цен большинство людей придерживается одинакового мнения. Однако результат может быть совершенно иным, если коснуться, например, вопроса об отношении к религии.

Применяя законы физики ко Вселенной в целом, мы совершаем тот же логический скачок, как и в примере с понижением цен. Вселенная состоит из огромного (возможно, бесконечного) числа подобных друг другу или даже идентичных систем. В больших масштабах структуру Вселенной можно представить как некое собрание галактик, а ее микроструктуру – как собрание атомов. В недрах строения вещества Вселенная представляет собой набор квантовых полей. Часто считается само собой разумеющимся, что за пределами наблюдаемой Вселенной мы встретимся с объектами знакомых нам типов. Однако далеко не очевидно, что подобная поразительная универсальность должна существовать.

Универсальность физических систем служит отправкой точкой всей научной космологии. Изучение звездного неба показывает, что звезды очень похожи на наше Солнце, а другие галактики напоминают наш Млечный Путь как по размерам, так и по структуре. Более детальный анализ свидетельствует, что удаленные тела состоят из тех же атомов, какие встречаются на Земле. «Земной» атом совершенно неотличим от атома на самом краю наблюдаемой Вселенной. Физические процессы, происходящие в наиболее удаленных областях космоса, по-видимому, абсолютно идентичны процессам в ближнем космосе. При этом особенно важно, что сами взаимодействия оказываются универсальными. Например, силу электромагнитного взаимодействия в удаленных квазарах можно определять на основе тщательного изучения их оптических спектров. При этом не обнаруживается заметного различия с электромагнитными взаимодействиями, наблюдаемыми в лабораторных условиях.

По мере того как астрономы расширяли свои горизонты, охватывая все более обширные области Вселенной, они, как правило, обнаруживали почти одно и то же. Почему так должно быть, совсем не ясно. Несколько столетий назад люди считали, что Земля – центр мироздания, уникальный по своему местоположению и форме. Однако со времен Коперника весь опыт стал говорить об обратном: Земля – типичная планета в типичной галактике, расположенная в типичной области Вселенной, и вообще Вселенная состоит из огромного числа более или менее сходных объектов.

Ученые сформулировали эти представления в виде так называемого «космологического принципа», который, попросту говоря, утверждает, что ближний космос является типичным образцом Вселенной в целом. Это относится не только к атомам, звездам и галактикам, но и ко всей организации Вселенной, а также к распределению вещества и энергии. Вселенная чрезвычайно однородна относительно распределения галактик в пространстве как по удаленности, так и по направлению. Насколько можно судить, в космосе отсутствуют какие-либо выделенные области или направления. Более того, эта однородность сохраняется с течением времени по мере расширения Вселенной; скорость расширения одинакова для всех областей пространства и всех направлений. Действительно, довольно трудно представить более простое устройство Вселенной, совместимой с существованием живых существ. В предыдущих главах – в рамках так называемой инфляционной теории эволюции Вселенной – приводились весьма убедительные основания для подобной крупномасштабной согласованности.

Таким образом, наука рисует картину однородной, самосогласованной и простой в больших масштабах Вселенной. Если бы Вселенная расширялась с существенно разными скоростями в различных направлениях или имела области, сильно отличающиеся по плотности или распределению вещества, то вряд ли вообще существовала бы научная космология. (Строго говоря, наверное, не существовало бы и самих ученых.) Именно эти три особенности Вселенной – однородность, самосогласованность и простота – позволяют говорить о Вселенной как едином целом. До самого последнего времени природа этих особенностей Вселенной оставалась загадкой. Теперь мы знаем, что «инструкции» для создания самосогласованного, однородного космоса заключены в законах физики. Свойства Суперсилы определили развитие ранней Вселенной и организацию ее единой структуры, отличающейся простотой в больших масштабах.

Хотя мы все готовы признать присущее Вселенной всеобъемлющее единство формы, существует настоятельное желание обнаружить более глубокое космическое единство – то, которое самым тесным образом «сплетает» воедино ближайшую нам локальную часть мира со всей необъятной Вселенной. Идея связи большого и малого, глобального и локального обладает большой притягательной силой, поскольку заставляет нас чувствовать свое единство со всем мирозданием, испытывать таинственное стремление к общности, свойственное большинству религии. Многие люди, несомненно, чувствуют себя духовно связанными со всей совокупностью существующих в мире объектов, и в науке также существует традиция настойчивого поиска таких связей.

Один из первых научных аргументов в пользу существования глубокой связи между структурой Вселенной в больших масштабах и локальной физикой был провозглашен австрийским физиком и философом Эрнстом Махом (1838—1916), который навечно вошел в историю науки благодаря «числу Маха» (единица измерения скорости звука). Несмотря на некоторые ошибочные взгляды Маха (например, он не верил в реальность атомов), его труды, посвященные природе инерции и позднее обобщенные под названием «принцип Маха», оказались одной из наиболее прочных научных теорий. Без сомнения, идеи Маха оказали глубокое влияние на молодого Эйнштейна в его попытках сформулировать общую теорию относительности. В письме, написанном в июне 1913 г. вслед за публикацией в предшествующем году книги Маха «Наука механики», Эйнштейн признавал, что многим обязан Маху.

Мах родился в городе Турасе на территории нынешней Чехословакии. Он занимал профессорские кафедры как по математике, так и по физике в университете в Граце. Позднее Мах переехал в Прагу, а потом – в Вену, где получил должность профессора философии; здесь он присоединяется к философскому течению, получившему название позитивизма. Мах полагал, что действительность следует привязывать к наблюдениям, и именно эта точка зрения легла в основу его космологических представлений.

Мах глубоко интересовался природой движения, в частности, вопросом о различии между реальным и кажущимся движением. Наши предки верили, что небеса вращаются вокруг Земли, что Земля покоится в центре Вселенной, а Солнце, Луна и звезды движутся по криволинейным траекториям. Это казалось совершенно естественным, поскольку небесные тела совершали по небу видимое движение. В XVII в. подобные идеи были, однако, отвергнуты, так как выяснилось, что движение небесных тел всего лишь кажущееся. В действительности же вращается сама Земля.

Как можно было убедить скептика, что вращение звезд лишь кажущееся и что именно Земля вращается вокруг своей оси? Можно было бы, например, обратиться к механике Ньютона. Вследствие вращения Земли возникают «центробежные эффекты», которые вызывают утолщение земного шара в районе экватора. Тщательные измерения размеров Земли показывают, что ее диаметр по экватору на 43 км превышает расстояние между полюсами. Причина того, что вращение Земли вызывает ее утолщение на экваторе, кроется в существовании инерции.

Инерция – свойство вещества, хорошо всем нам знакомое. Тяжелые предметы обладают большой инерцией; это означает, что их трудно привести в движение, однако если это произошло, то их трудно остановить. Легкие предметы передвигать гораздо проще. Именно инерцией обусловлено движение Земли в пространстве. При отсутствии инерции Земля остановилась бы на своей орбите и упала на Солнце. Инерция выбрасывает нас из сиденья при резком торможении автомобиля, она заставляет нас почувствовать, как что-то обрывается в желудке при резком движении лифта. Именно инерция отбрасывает нас к внешнему ободу вращающейся карусели или прижимает к стенке вращающейся центрифуги. Инерция разрывает слишком быстро вращающийся маховик, именно эта тенденция сбрасывать с себя вещество (ее иногда называют центробежной силой) приводит к утолщению Земли на экваторе.