Kitabı oxu: «Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения»

1,000000000000000858

Болт и относительность

В тот год под рождественской елкой посреди обычной футбольной символики и атрибутики лежало нечто новое. Это был словарь английского языка Collins – один из тех огромных классических словарей, которые при необходимости можно использовать в качестве баррикады. Я не знаю, почему мои родители сочли нужным купить десятилетнему сыну словарь: в то время я не особо интересовался словами. Тогда у меня в жизни были две страсти: футбольный клуб «Ливерпуль» и математика. Если мои родители полагали, что этот подарок расширит мой кругозор, то они жестоко ошибались. Я поразмышлял о своей новой игрушке и решил, что смогу использовать ее хотя бы для поиска больших чисел. Сначала я искал «биллион», затем «триллион», а вскоре обнаружил «квадриллион». Игра продолжалась до тех пор, пока я не наткнулся на поистине великолепный «центиллион». Шестьсот нулей! Конечно, в старом варианте с длинной шкалой наименования больших чисел; сейчас мы перешли на короткую шкалу, и центиллион имеет менее вдохновляющие триста три нуля, а миллиард (он же биллион) – девять нулей, а не двенадцать.

Однако на этом все закончилось. В моем словаре не было ни гуголплекса, ни числа Грэма, ни даже TREE(3). Мне бы понравились эти колоссы. Подобные фантастические числа могут привести вас на грань понимания, на передний край физики и раскрыть фундаментальные истины о природе нашей реальности. Но наше путешествие начинается с другого большого числа, которого тоже не было в моем словаре: 1,000000000000000858.

Полагаю, вы разочарованы. Я обещал вам покататься на левиафанах, а это число вовсе не кажется большим. Даже народ пирахан из тропических лесов Амазонии может назвать что-то большее, хотя их система числительных включает только hói (один), hoí (два) и báagiso (много)⁵. Еще хуже, что это число даже не такое красивое и элегантное, как π или √2. Оно кажется замечательно непримечательным во всех смыслах.

Все это верно до тех пор, пока мы не начинаем думать о природе пространства и времени и об экстремальных случаях взаимодействия человека с ними. Я выбрал именно это число, потому что оно стало мировым рекордом, отражающим пределы нашей физической способности связываться со временем.

16 августа 2009 года ямайскому спринтеру Усэйну Болту удалось замедлить свои биологические часы в 1,000000000000000858 раза. Ни один человек никогда не замедлял время настолько, по крайней мере без механической помощи. Возможно, вы знаете это событие под другим названием. В тот день на чемпионате мира по легкой атлетике в Берлине Болт побил мировой рекорд в беге на 100 метров, разогнавшись на отрезке между 60 и 80 метрами до скорости 12,72 метра в секунду. На трибунах сидели родители бегуна Уэлсли и Дженнифер, и в каждую секунду, прожитую их сыном на этом отрезке, они проживали чуть больше: если точно, то 1,000000000000000858 секунды.

Чтобы понять, как Болту удалось замедлить время, нам нужно ускорить его до скорости света. Нам надо спросить, что произошло бы, если бы спринтер смог догнать свет. При желании вы можете назвать это мысленным экспериментом, но не забывайте, что Болт сумел побить три мировых рекорда на Олимпийских играх в Пекине, питаясь куриными наггетсами. Вообразите, чего он мог бы достичь при правильном рационе.

Чтобы иметь хоть какую-то надежду догнать свет, необходимо предположить, что он движется с конечной скоростью. Это далеко не очевидно. Когда я сказал своей дочери, что свет от ее книги достиг ее глаз не мгновенно, она сразу же проявила скептицизм и настояла на проведении эксперимента, чтобы выяснить, верно ли это на самом деле. Обычно всякий раз, когда я чересчур близко подхожу к экспериментальной физике, у меня идет кровь из носа, но у моей дочери, похоже, обнаружилось больше практических умений. Для определения скорости света она предложила такой метод: выключите свет в спальне, затем снова включите его и посчитайте, сколько времени потребуется, чтобы свет дошел до вас. Это ровно тот же эксперимент, который Галилео Галилей и его помощник провели с закрывающимися фонарями 400 лет назад. Как и моя дочь, физик пришел к выводу, что свет распространяется если и не мгновенно, то необычайно быстро. Скорость света велика, но конечна.

К середине XIX века некоторые физики – например, француз с прекрасным именем Ипполит Физо – взялись определить достаточно точное (и конечное) значение скорости света. Однако чтобы правильно понять, что значит догнать свет, нам нужно сначала сосредоточиться на замечательной работе шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла. Она также проиллюстрирует прекрасную синергию между математикой и физикой.

К тому моменту, когда Максвелл изучал поведение электричества и магнетизма, у ученых уже имелись намеки, что они могут оказаться двумя сторонами одной медали. Например, Майкл Фарадей, один из самых влиятельных ученых Англии, несмотря на отсутствие у него формального образования, ранее открыл электромагнитную индукцию, показав, что изменение магнитного поля порождает электрический ток. Французский физик Андре-Мари Ампер также установил связь между этими двумя явлениями. Максвелл взял эти идеи и соответствующие уравнения и попытался придать им математическую строгость. Но он заметил некоторые неувязки: для переменных полей и токов закон Ампера оказывался неверным. Максвелл провел аналогию с уравнениями, описывающими течение воды, и определил поправки для предложений Ампера и Фарадея. С помощью математических рассуждений он нашел недостающие части этой электромагнитной головоломки, и в результате возникла картина, обладающая беспрецедентной элегантностью и красотой. Именно эта стратегия, впервые предложенная Максвеллом, раздвигает границы физики в XXI веке.

Создав свою математически непротиворечивую теорию, объединяющую электричество и магнетизм, Максвелл заметил нечто волшебное. Его новые уравнения допускали волновое решение – электромагнитную волну, где электрическое поле периодически меняется в одном направлении, а магнитное – в другом. Чтобы понять, что обнаружил Максвелл, представьте, что вы плаваете с аквалангом и к вам приближаются две морские змеи. Они двигаются по одной прямой, но электрическая извивается в направлении вверх-вниз, а магнитная – влево-вправо. Что еще хуже, они мчатся к вам со скоростью 310 740 000 метров в секунду. Возможно, последняя часть аналогии ужасает сильнее всего, но она – как раз самая замечательная часть открытия Максвелла. Дело в том, что величина 310 740 000 метров в секунду была скоростью, вычисленной Максвеллом для своей электромагнитной волны: она просто выскочила из его уравнений, как математический чертик из табакерки. Любопытно, что эта величина оказалась также очень близкой к оценкам скорости света, установленным Физо и другими учеными. Вспомните, что, согласно убеждениям того времени, электричество и магнетизм не имели ничего общего со светом; однако оказалось, что они, по-видимому, представляют собой волны, бегущие с одинаковой скоростью. Современные измерения скорости света в вакууме дают значение 299 792 458 метров в секунду, но и параметры уравнений Максвелла теперь известны с улучшенной точностью, так что это чудесное совпадение сохранилось. Благодаря ему Максвелл понял, что свет и электромагнетизм должны быть явлениями одной природы: удивительная связь между двумя, казалось бы, различными свойствами физического мира была обнаружена математическими методами.

Это еще не все. Волны Максвелла включали не только свет. В зависимости от частоты их колебаний (иными словами, от скорости изгибания змей из стороны в сторону) эти волновые решения описывали радиоволны, рентгеновские и гамма-лучи, и, какими бы разными ни были их частоты, скорость перемещения волн всегда оказывалась одинаковой. В 1887 году немецкий физик Генрих Герц измерил скорость распространения радиоволн и установил, что она равна скорости света. Когда ученого спросили о следствиях его открытия, Герц скромно ответил: «Оно совершенно бесполезно. Это просто эксперимент, доказывающий, что маэстро Максвелл был прав». Конечно, всякий раз, когда мы настраиваем радиостанцию на нужную частоту, мы вспоминаем о реальном влиянии открытия Герца. Но даже если он преуменьшал собственную значимость, Герц был прав, называя Максвелла маэстро. В конце концов, шотландец оказался дирижером самой изящной математической симфонии в истории физики.

До того как Альберт Эйнштейн произвел революцию в нашем понимании пространства и времени, ученые в основном полагали, что световым волнам требуется определенная среда для распространения – точно так же, как океанским волнам необходимо двигаться через какую-то воду. Такая гипотетическая среда для света была известна как светоносный эфир. Предположим на мгновение, что эфир реален. Если бы Усэйн Болт догнал свет, ему пришлось бы мчаться через эфир со скоростью 299 792 458 метров в секунду. Если спринтер наберет такую скорость, что он увидит, двигаясь рядом с лучом света? Свет больше не удаляется от него, поэтому будет выглядеть как электромагнитная волна, колеблющаяся вверх-вниз, влево-вправо, но на самом деле никуда не перемещающаяся. (Представьте морских змей, извивающихся из стороны в сторону, но в итоге остающихся на одном и том же месте в океане.) Однако не существует явного способа приспособить законы Максвелла к волне такого рода, и это заставляет предположить, что законы физики для такой «турбонаддувной» версии ямайского спринтера должны кардинально отличаться.

Это тревожит. Когда Эйнштейн пришел к тем же выводам, он понял, что в самой идее догнать свет есть что-то неправильное. Теория Максвелла была слишком красива, чтобы отказываться от нее только потому, что кто-то быстро двигается. Эйнштейну также требовалось разобраться со странными результатами эксперимента, проведенного весной 1887 года в Кливленде. Два американских физика, Альберт Майкельсон и Эдвард Морли, пытались найти скорость движения Земли относительно эфира, используя некое хитроумное расположение зеркал, но ответ всегда оказывался нулевым. Такой результат означал, что Земля – в отличие от почти всех других планет в Солнечной системе и за ее пределами – почему-то двигается вместе с этим заполняющим пространство эфиром, с точно такой же скоростью и в точности в том же направлении. Как мы увидим далее в этой книге, подобных совпадений без веской причины не бывает. Поэтому просто-напросто эфира не существует, а маэстро Максвелл всегда прав.

Эйнштейн предположил, что законы Максвелла (как и любые другие физические законы) никогда не изменятся, как бы быстро вы ни двигались. Если вас запереть на корабле в каюте без окон, вам не удастся провести эксперимент, который определит вашу абсолютную скорость, потому что таковой не существует. Ускорение – совсем другая история, мы к нему еще вернемся, но, пока капитан корабля плывет с постоянной скоростью относительно моря (будь то десять узлов, двадцать узлов или скорость, близкая к скорости света), вы и ваши коллеги-экспериментаторы в каюте будете находиться в блаженном неведении. Если вернуться к Усэйну Болту, то мы знаем, что его погоня за светом окажется тщетной. Он никогда не догонит луч, потому что законы Максвелла неизменны. Как бы быстро он ни бежал, свет всегда будет удаляться от него со скоростью 299 792 458 метров в секунду.

Все это противоречит нашей интуиции. Если гепард бежит по равнине со скоростью 70 миль (113 км) в час, а Болт преследует его со скоростью 30 миль (48 км) в час, то обычная логика подсказывает, что гепард каждый час будет увеличивать свой отрыв от спринтера на 40 миль (65 км) – просто потому, что его относительная скорость равна 70–30 = 40 миль в час. Но когда мы говорим о луче света, двигающемся по равнине со скоростью 299 792 458 метров в секунду, то неважно, как быстро бежит Болт, – луч света все равно будет двигаться относительно него со скоростью 299 792 458 метров в секунду. Свет всегда будет двигаться со скоростью 299 792 458 метров в секунду⁶ – относительно африканской равнины, относительно Усэйна Болта, относительно стада паникующих антилоп-импал. Это действительно не имеет значения. Мы можем подвести этот итог в одном твите:

Скорость света – это скорость света.

Эйнштейну бы это понравилось. Он всегда говорил, что его идеи следовало бы именовать теорией инвариантности, сосредоточив внимание на их наиболее важных аспектах: постоянстве скорости света и инвариантности законов физики. Ироничное название «теория относительности» придумал немецкий физик Альфред Бухерер, критиковавший работу Эйнштейна. Мы называем ее специальной теорией относительности, чтобы подчеркнуть тот факт, что все вышеизложенное применимо только к равномерному движению, или движению без ускорения. Для ускоренного движения (когда гонщик «Формулы-1» нажимает на газ или ракета взлетает в космос) нам нужно нечто более общее и глубокое – общая теория относительности Эйнштейна. Мы подробно поговорим об этом дальше, когда погрузимся на дно Марианского желоба.

А пока давайте придерживаться специальной теории относительности Эйнштейна. В нашем примере предполагается, что Болт, гепард, импала и луч света двигаются с постоянной скоростью друг относительно друга. Их скорости могут различаться, но не меняются со временем, и главное, несмотря на эти различия, все видят, что световой луч удаляется от них со скоростью 299 792 458 метров в секунду. Как мы уже видели, это общее представление о скорости света, безусловно, противоречит нашему повседневному пониманию относительных скоростей, когда одна скорость вычитается из другой. Но причина здесь только в том, что вы не привыкли путешествовать со скоростями, близкими к световой. Иначе вы бы смотрели на относительные скорости совсем по-другому.

Проблема во времени.

Видите ли, вы предполагали, что в небесах есть какие-то огромные часы, которые сообщают нам точное время. Возможно, вы не считаете, что предполагаете такое, но это именно так, – в частности, когда начинаете вычитать относительные скорости, руководствуясь тем, что считаете здравым смыслом. Мне жаль вас разочаровывать, но эти абсолютные часы – фантазия. Их нет. В реальности существуют лишь часы на вашем запястье, часы на моем запястье или часы на Boeing 747, летящем через Атлантику. У каждого из нас есть собственные часы, собственное время, и показания этих часов не всегда совпадают, особенно если кто-то мчится со скоростью, близкой к световой.

Предположим, я поднимаюсь на борт Boeing 747 и вылетаю из Манчестера. К тому моменту, когда самолет достигает побережья в Ливерпуле, он летит со скоростью несколько сотен километров в час. К легкому раздражению других пассажиров, я решаю подкинуть мяч в салоне на пару метров. Моя сестра Сьюзи (живущая в Ливерпуле) находится на пляже, когда самолет двигается над ней, и, с ее точки зрения, мяч пролетает значительно дальше – примерно двести метров или больше. На первый взгляд кажется, что такая ситуация не требует серьезного пересмотра нашего повседневного представления о времени. В конце концов, быстро летящий самолет просто переносит мяч с собой, и, естественно, Сьюзи видит, что он перемещается намного дальше. Но теперь поиграем в аналогичную игру со светом. Я ставлю вертикально на полу салона фонарик и включаю его: вертикальный луч света двигается перпендикулярно направлению движения самолета. Через какое-то очень короткое время я вижу, как свет достиг потолка салона. Если бы Сьюзи могла заглянуть внутрь, она увидела бы, как свет распространяется по диагонали, поднимаясь от пола к потолку, но при этом также перемещаясь горизонтально вместе с самолетом.

Траектория светового луча в глазах Сьюзи на пляже

Для нее это расстояние по диагонали больше, чем то расстояние по вертикали, которое измерил я; следовательно, она увидела, что свет прошел большее расстояние, нежели увидел я. Однако свет и для нее двигался с такой же скоростью. Это может означать только одно: для Сьюзи свету потребовалось больше времени, чтобы пройти свой путь. Иными словами, с ее точки зрения, мир внутри самолета должен двигаться в замедленном темпе. Этот эффект известен как замедление времени.

Степень замедления зависит от относительной скорости – скорости моего самолета относительно сестры или скорости Усэйна Болта относительно его родителей на трибунах стадиона. Чем ближе вы к скорости света, тем больше замедляется время. Когда Болт бежал в Берлине, его максимальная скорость составляла 12,42 метра в секунду, а время замедлилось в 1,000000000000000858 раза⁷. Это рекорд для человека.

Существует и еще одно следствие замедления времени: вы стареете медленнее. Например, Усэйн Болт постарел примерно на 10 фемтосекунд меньше, чем все зрители на трибунах во время берлинского забега. Конечно, фемтосекунда – это не так уж и много (всего лишь одна миллионная доля от миллиардной доли секунды), но все же он постарел меньше, так что, вернувшись в состояние неподвижности, он прыгнул в будущее, хотя и совсем чуть-чуть. Если вы не очень хорошо бегаете, то для замедления времени можно воспользоваться механическими средствами, и есть все шансы, что у вас получится даже лучше. Например, российский космонавт Геннадий Падалка провел в космосе 878 дней 11 часов и 31 минуту на борту космических станций «Мир» и МКС, вращаясь вокруг Земли со скоростью примерно 28 000 километров в час. В результате ему удалось попасть в будущее на рекордные 22 миллисекунды раньше по сравнению с его семьей, оставшейся на Земле⁸.

Однако вам незачем становиться космонавтом, чтобы путешествовать во времени таким образом. Таксист, который ездит по городу сорок часов в неделю в течение сорока лет, окажется на несколько десятых микросекунды моложе по сравнению с человеком, который просто сидит на месте. Если вас не впечатляют микросекунды и миллисекунды, подумайте, что может случиться с бактериями, оказавшимися на борту корабля Starshot, который ученые хотят направить к альфе Центавра. Starshot – детище венчурного капиталиста-миллиардера Юрия Мильнера, который планирует разработать аппарат с солнечным парусом, способный долететь до ближайшей к нам звездной системы со скоростью в 20 процентов от световой. Альфа Центавра находится от нас на расстоянии около 4,37 светового года, поэтому до окончания такого путешествия землянам придется ждать более двадцати лет. Однако для самого аппарата и безбилетных бактерий на его борту время замедлится до такой степени, что путешествие займет менее девяти лет.

В этот момент вы можете заметить кое-что подозрительное. Если наша отважная бактерия будет девять лет мчаться со скоростью в одну пятую от скорости света, то она пролетит менее двух световых лет, а это менее половины расстояния до альфы Центавра. То же и с Усэйном Болтом. Я сказал вам, что он бежал на 10 фемтосекунд меньше, чем вы думали, а поэтому в реальности он и преодолел меньшее расстояние. И это действительно так. С точки зрения Болта, дорожка двигалась относительно него со скоростью 12,42 метра в секунду, поэтому она должна была уменьшиться в длину примерно на 86 фемтометров (что соответствует размеру примерно 50 протонов). Вы можете даже поспорить, что он в каком-то смысле не совсем совершил забег. Для бактерии пространство между Землей и альфой Центавра будет двигаться очень быстро, и в результате оно сократится менее чем на половину своей первоначальной протяженности. Такое сокращение пространства или дорожки берлинского стадиона известно как релятивистское (или лоренцево) сокращение длины. Итак, вы видите, что бег не только уменьшает ваш возраст, но и помогает вам выглядеть стройнее. Если бы вы бежали со скоростью, близкой к скорости света, любой наблюдатель заметил бы, что вы расплющились, как блин, благодаря сокращению занимаемого вами пространства.

Тут есть еще кое-что, о чем вам следует побеспокоиться. Я только что сказал, что дорожка стадиона двигалась относительно Усэйна Болта со скоростью 12,42 метра в секунду. Следовательно, его родители двигались по отношению к нему с точно такой же скоростью. С учетом всего вышесказанного это означает, что Болт должен увидеть, как часы его родителей замедлились. Но это выглядит очень странно, потому что я уже сказал вам: родители Болта должны увидеть, как замедляются часы их сына. Однако на самом деле именно так и обстоят дела: как Уэлсли и Дженнифер видят своего сына в замедленной съемке (!), так и Болт тоже видит их в замедленной съемке. И вот тут есть один действительно тревожный момент: я ведь также отмечал, что Болт финишировал в забеге, оказавшись на 10 фемтосекунд моложе, чем был бы, если бы стоял на месте. Разве мы не можем перевернуть ситуацию и посмотреть на нее с точки зрения Болта? Для его родителей время идет медленнее, так почему они не могут меньше постареть? Кажется, у нас появился парадокс. Он известен как парадокс близнецов (обычно в его объяснении фигурируют близнецы), но, к сожалению, у Усэйна Болта нет близнеца. Впрочем, это неважно. Истина состоит в том, что именно Болт стареет меньше и остается чуть-чуть моложе. Но почему он, а не его родители?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно учесть роль ускорения. Помните: все, что мы до сих пор обсуждали, относится к равномерному движению, когда ускорение отсутствует. В те моменты, когда Болт бежит с постоянной скоростью 12,42 метра в секунду, он и его родители – инерциальные объекты. Это просто причудливый жаргонный термин, который сообщает, что они не ускоряются, на них не действует никакая дополнительная сила, ускоряющая их или замедляющая. Во всех таких случаях применяются законы специальной теории относительности, поэтому и Болт будет видеть своих родителей в замедленной съемке, и наоборот. Однако спринтер не бежит с постоянной скоростью на протяжении всего забега: сначала он разгоняется с нуля до максимальной скорости, а в конце снова замедляется. На отрезках, когда он ускоряется или замедляется, бегун не является инерциальным объектом (в отличие от своих родителей). Движение с ускорением – совершенно другое дело. Например, даже если запереть вас в каюте корабля без окон, вы однозначно сможете сказать, ускоряется ли корабль, потому что почувствуете силу, действующую на ваше тело. Слишком сильное ускорение может даже убить вас. Конечно, смерть Болту никогда не грозила, однако его ускорения и замедления было вполне достаточно, чтобы убрать эквивалентность между ним и его родителями. Такая асимметрия устраняет наш парадокс: более подробный анализ, где тщательно учитывается ускоренное движение бегуна, показывает, что немного меньше будет стареть именно Болт, а не его родители.

Важно понимать, что это не просто забавное развлечение с уравнениями. Это реальные эффекты, которые ученые уже измерили. Установлено, что быстро движущиеся атомные часы тикают медленнее, чем их стационарные аналоги; они «меньше стареют», подобно Усэйну Болту в Берлине. Еще одно свидетельство дала крохотная частица под названием мюон: у нее обнаружена «отсрочка смерти». Мюон очень похож на обычный электрон, вращающийся вокруг ядра атома, но примерно в двести раз тяжелее и живет гораздо меньше. Примерно через две миллионные доли секунды он распадается на электрон и маленькие нейтральные частицы, называемые нейтрино. В Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке проводится эксперимент, в ходе которого мюоны разгоняют по 44-метровому кольцу до скорости в 99,94 процента от световой. Если учесть известную продолжительность их жизни, можно ожидать, что мюоны до своего распада совершат только 15 кругов; однако каким-то образом они проходят примерно 438 кругов. Дело тут не в том, что у них как-то удлинилась жизнь (если бы вы двигались рядом с одним из мюонов с той же скоростью, вы бы все равно увидели, как он распадается через две миллионные доли секунды⁹), просто при движении на такой скорости длина окружности кольца уменьшается в 29 раз по сравнению с исходной. В результате мюон успевает пройти около 438 кругов, потому что на каждом круге из-за сокращения длины ему приходится проходить меньшее расстояние.

Сокращение длины и замедление времени помогают нам понять, почему ничто и никто (и даже Усэйн Болт) не может двигаться быстрее света. По мере того как Болт все ближе подбирается к скорости света, кажется, что его время замедляется до полной остановки, а расстояния, с которыми он сталкивается, стягиваются к нулю. Как можно еще больше замедлить время? Куда можно еще уменьшить расстояния? Просто некуда. Скорость света представляет собой некий барьер, и единственный разумный вывод состоит в том, что ничто и никто не может двигаться быстрее.

Ускоряясь и приближаясь к скорости света, Болт потребляет все больше калорий, пытаясь разогнаться все сильнее. Скорость света выглядит непреодолимым барьером, поэтому в конце концов его скорость начинает стабилизироваться, а ускорение замедляться. Чем ближе он к скорости света, тем труднее двигаться. Его инерция – сопротивление ускорению – становится все больше. В этом и состоит проблема с попыткой разогнаться до скорости света: инерция увеличивается до бесконечности.

Но откуда берется эта инерция? Единственное, что Болт привносит в систему, – это энергия, и именно она должна быть источником дополнительной инерции Болта. Энергия никуда не исчезает, она просто меняет свой вид, переходя из одной формы в другую. Таким образом, инерция должна быть какой-то формой энергии, и это должно быть истинно, даже когда Болт находится в покое. Хорошо то, что для Болта, находящегося в покое, мы точно знаем инерцию: это просто его масса, ведь чем он тяжелее, тем ему труднее двигаться. Масса и энергия являются одним и тем же – в соответствии с формулой Эйнштейна¹⁰: E = mc². Ужаснее всего в этой формуле то, какое огромное количество энергии (Е) можно получить из массы (m) благодаря огромной величине скорости света (c). Усэйн Болт в состоянии покоя весит около 95 килограммов, и, если всю эту массу преобразовать в энергию, она окажется эквивалентна 2 млрд тонн тротила. Это более чем в 100 000 раз превышает энергию, выделившуюся при взрыве в Хиросиме.

Теперь поговорим о пространстве-времени.

Погодите. Что это? Откуда оно взялось? На деле все это время мы говорили о пространстве-времени. Сокращение длины. Замедление времени. В вышеуказанных примерах время и пространство растягиваются и сжимаются в идеальном тандеме. Поэтому неудивительно, что они должны быть связаны, оказаться частью чего-то большего. Родившийся в Российской империи и проработавший почти всю жизнь в Германии математик Герман Минковский был настолько вдохновлен идеями Эйнштейна, что совершил первый прыжок в пространство-время. Он заявлял: «Отныне пространство само по себе и время само по себе уходят в мир теней, и в реальности существует лишь их своеобразное сочетание». Довольно любопытно, что Минковский некогда учил молодого Эйнштейна в Высшей технической школе Цюриха, хотя вспоминал его как лентяя, которого никогда не волновала математика.

Что на самом деле Минковский подразумевал под пространством-временем? Чтобы понять это, мы должны начать с трех пространственных измерений. У пространства есть три измерения, потому что для определения своего положения вам нужно указать три независимые координаты: например, две ваши GPS-координаты и высоту над уровнем моря. Теперь взгляните на часы и запишите время. Подождите 30 секунд и снова посмотрите на часы. Те два момента, когда вы смотрели на часы, произошли в одной и той же точке пространства, но в разные моменты. Мы могли бы различать их, введя еще одну (временную) координату для отображения момента, в который произошло каждое из этих событий. Таким образом, у нас есть четвертая независимая координата – четвертое измерение. Соединим их и получим пространство-время.

Чтобы должным образом оценить элегантность концепции пространства-времени, следует подумать о том, как мы измеряем расстояния – сначала в пространстве, а затем в пространстве-времени. Расстояния в пространстве можно измерить с помощью теоремы Пифагора. Вы, вероятно, помните это школьное утверждение о прямоугольных треугольниках: квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов. Однако эта старая теорема дает гораздо больше, чем вы могли решить поначалу. Чтобы понять почему, давайте сначала построим пару перпендикулярных осей, как показано на левом рисунке.

Относительно этих осей точка P имеет координаты (x, y), и по теореме Пифагора мы легко получаем, что она находится от центра координат на расстоянии Если мы повернем оси вокруг начала координат O, как показано на правом рисунке, и определим новый набор координат (x', y'), расстояние от начала координат, очевидно, останется неизменным и теорема Пифагора будет работать так же, как и раньше:

d² = x² + y² = x² + y².

В этом и заключается настоящая прелесть теоремы Пифагора: расстояние остается неизменным даже при повороте координат.

Теперь о пространстве-времени. Минковский предложил нам объединить пространство и время. Конечно, в действительности нам хочется смешать три пространственных измерения с единственным временным измерением, но для простоты давайте рассмотрим одно пространственное, обозначенное координатой x, и соединим его со временем, обозначенным координатой t. Минковский определил, что для измерения расстояния d в этом пространстве-времени мы должны использовать странную форму теоремы Пифагора, которая задается формулой

d² = c²t² – x².

Да-да, именно так: знак минус. Что все это означает? Мы к этому еще вернемся, но сначала нам нужно понять фрагмент c²t². Мы хотим измерять расстояния и сразу констатируем очевидное: время – не расстояние. Чтобы превратить его в расстояние, нужно умножить его на какую-то скорость, а что может быть лучше скорости света? Это означает, что c²t² можно рассматривать как единицу измерения квадрата расстояния, а это именно то, что нам нужно, когда мы думаем о теореме Пифагора. Теперь о знаке минус. Мера расстояния в пространстве-времени должна оставаться неизменной всякий раз, когда мы выполняем аналогичное вращение пространства-времени: когда проводим те преобразования, которые переводят нас между наблюдателями, движущимися друг относительно друга, – например, преобразование, которое переводит положение родителей Усэйна Болта в положение его самого. Такие «вращения» называются преобразованиями Лоренца; они кодируют растяжение времени и сжатие пространства, которые делают физику относительности такой удивительно причудливой. Таинственный знак минус имеет решающее значение для сохранения неизменными расстояний в пространстве-времени всякий раз, когда вы совершаете такой переход между инерциальными наблюдателями в относительном движении. Возможно, проще всего это увидеть для света, который движется в пространстве со скоростью x / t = c. Подставив это в формулу Минковского¹¹, мы увидим, что свет находится на нулевом расстоянии от начала координат в пространстве-времени. Начало координат остается на месте всякий раз, когда мы «вращаем» наши пространственно-временные координаты, и поэтому свет должен выглядеть одинаково для всех наблюдателей. Ничто не движется быстрее света в пространстве, но в пространстве-времени он вообще не перемещается ни на какое расстояние. Вот что делает его особенным.

А что насчет вас? Что вы делаете в пространстве-времени? Ну я предполагаю, что вы удобно устроились в кресле и читаете эту книгу. Что бы вы ни делали, мы знаем, что вы не движетесь в пространстве, определенном относительно вас самих, но движетесь во времени и поэтому должны двигаться в едином пространстве-времени. Насколько быстро? Что ж, берем формулу для расстояния при x = 0, получаем и легко видим, что вы движетесь в пространстве-времени со скоростью d / t = c. Иными словами, вы перемещаетесь сквозь пространство-время со скоростью света. Как и все другие люди.

Соединив свои пространственно-временные координаты с расстоянием в пространстве-времени, Минковский начал строить удивительно изящную картину физики в терминах четырехмерной геометрии. Если записать на этом новом языке уравнения Максвелла, они обретают невероятно простую форму. Разделять пространство и время – все равно что смотреть на мир сквозь туман. Соедините их – и откроется мир удивительной красоты и простоты. Это и делает теоретическую физику таким замечательным предметом: чем больше вы понимаете, тем проще она становится. Возможно, это не более очевидно, чем использование Эйнштейном геометрии, чтобы победить силу гравитации и увидеть, что это обман. Эту историю мы расскажем попозже, снова используя замедление времени. Однако на этот раз мы не станем бежать вместе с Усэйном Болтом или мчаться сквозь космос с Геннадием Падалкой. Мы отправимся к центру Земли, где время идет чуть медленнее, чем на ее поверхности.

Бездна Челленджера

«В действительности сильнее всего ощущение одиночества, осознание того, как крохотный ты опускаешься в это огромное, необъятное, темное, неизвестное и неисследованное место» – так сказал канадский кинорежиссер Джеймс Кэмерон. Эти слова свидетельствуют об ощутимом чувстве страха, о том, что ситуация не под контролем, что человек во власти чего-то большего. Эти слова были бы уместны в сценарии его самого известного фильма «Титаник», однако на самом деле они выражали эмоции режиссера после возвращения из Бездны Челленджера – самой глубокой из известных точек океанского дна, которая находится в Марианском желобе на глубине почти 11 километров ниже уровня моря. Кэмерон отправился туда 26 марта 2012 года в глубоководном аппарате Deepsea Challenger и провел три часа, исследуя этот чуждый мир: находясь в полном одиночестве в самой враждебной среде на планете.

Кэмерон стал первым человеком, который погрузился на такую глубину со времен группы ВМС США пятьдесят лет назад¹², и первым, кто сделал это в одиночку. Однако, возможно, примечательнее всего тот факт, что он вернулся из этого путешествия, прыгнув вперед во времени на 13 наносекунд.

Прыжок Кэмерона в будущее произошел не из-за высокой скорости, как у Усэйна Болта или Геннадия Падалки, а благодаря глубине погружения. Дело в том, что время замедляется еще и тогда, когда вы погружаетесь в гравитационный колодец, в данном случае – отправляетесь ближе к центру Земли. Это эффект общей теории относительности, объединившей релятивизм и гравитацию – вершины гения Эйнштейна. Поскольку Джеймс Кэмерон провел довольно много времени на глубине, у него накопилась впечатляющая величина гравитационного замедления времени.

Однако больше всех к центру Земли приблизился экипаж российской научно-исследовательской экспедиции «Арктика-2007».

2 августа 2007 года пилот Анатолий Сагалевич, полярник Артур Чилингаров и бизнесмен Владимир Груздев спустились в точке Северного полюса на дно Северного Ледовитого океана на борту глубоководного аппарата «Мир-1», оказавшись на глубине 4261 метра. Может показаться, что это гораздо меньше, чем глубина Марианского желоба. Однако Земля – не идеальная сфера, она имеет форму сплюснутого с полюсов сфероида, который слегка выпирает на экваторе. Поэтому аппарат «Мир-1» оказался гораздо ближе к центру планеты, чем Deepsea Challenger. Проведя полтора часа на морском дне, трое мужчин на борту аппарата переместились вперед во времени на несколько наносекунд. Помимо взятия образцов почвы и фауны, они установили российский флаг из нержавеющего титанового сплава. Это событие вызвало ожесточенные претензии со стороны других арктических стран, которые увидели здесь попытку объявить этот регион российской территорией. Россияне отрицали это, заявив, будто собирались просто доказать, что российский шельф простирается до Северного полюса, и сравнив это с тем моментом, когда астронавты «Аполлона-11» установили американский флаг на поверхности Луны.

Хотя эта книга посвящена вовсе не международной политике, такие вещи никогда далеко не расходятся. Чтобы понять, как и почему эти глубоководные исследователи смогли замедлить время, нам нужно оказаться в начале XX века – во временах, когда мир воевал, а окопы заливало кровью простых людей, сражавшихся в тяжелой обстановке. В то время битвы бушевали и в мире науки. Британские физики (более других увлеченные идеями эфира и ведомые неукротимым лордом Кельвином) не жаждали принимать новые идеи Эйнштейна о времени и пространстве. Они опирались на Исаака Ньютона, легенду британской науки, чьи законы всемирного тяготения все еще оставались традиционной авторитетной моделью – даже спустя 300 лет после своего появления. Ньютоновская гравитация могла объяснить очень многое: от движения планет до траектории пуль, падающих в битве на Сомме. Однако в теории Ньютона имелось нечто тревожное – нечто, привлекшее более пристальное внимание к труду Эйнштейна: мгновенное действие на расстоянии.

Почему это беспокоит? Представьте, что произошло бы, если бы Солнце внезапно исчезло. Конечно, мы все после этого умерли бы, но сколько времени потребуется, чтобы мы осознали свою печальную судьбу? В мире, где правит ньютоновская теория, сила гравитации действует мгновенно на больших расстояниях, поэтому мы узнаем о пропаже Солнца в тот момент, когда она произойдет. Беда в том, что солнечному свету нужно восемь минут, чтобы добраться до Земли. Согласно Эйнштейну, это означает, что нам потребуется не менее восьми минут, чтобы получить какой-либо сигнал от Солнца, включая тот, который говорит о его исчезновении. Ясно, что теории Ньютона и Эйнштейна находятся в прямом конфликте. Хотя Эйнштейн был далек от патриотизма, такая немецкая угроза ньютоновскому трону никогда не находила одобрения в Англии на фоне Первой мировой войны.

У самого Ньютона были серьезные опасения по поводу такого действия на расстоянии. В письме к ученому Ричарду Бентли в феврале 1692 года он писал: «Мысль, что… одно тело может воздействовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства какого-либо агента… представляется мне таким абсурдом, что, на мой взгляд, ни один человек, обладающий способностью судить о философских материях, никогда не сможет с ней согласиться».

В итоге Эйнштейн справился с этими проблемами, но для этого он отказался от Ньютона и его величайшего открытия. Он попросту отказался от существования гравитации.

Гравитация – обман.

Мне нравится начинать курс глубокого изучения гравитации с этой короткой фразы, даже если она расстраивает некоторых студентов. Но утверждение верно: гравитация – действительно обман. Даже на Земле можно стать невесомым, полностью устранив тяготение. Для этого отправляйтесь в роскошный город Дубай на краю пустыни и поднимитесь на вершину небоскреба Бурдж-Халифа – самого высокого здания в мире, уходящего в небо почти на километр. Оказавшись там, заберитесь в какой-нибудь большой ящик (вроде старой британской телефонной будки с затемненными стеклами) и попросите кого-нибудь сбросить вас вниз. Что происходит, когда вы падаете в этом ящике? На вас действует ускорение силы тяжести 1g, но оно действует и на пол ящика. Да, на ящик также будет воздействовать небольшая сила сопротивления воздуха, но, если воздух достаточно разрежен, вы станете более или менее невесомым и гравитация исчезнет. Конечно, я осознаю, что этот способ проверки гравитации слишком радикален. Но ведь на самом деле для ощущения эффекта невесомости вам вовсе не обязательно прыгать с Бурдж-Халифа. Достаточно съехать с крутого холма на своем автомобиле. Возможно, вам уже знакомо ощущение, когда ваш желудок начинает выполнять сальто. Это гравитация начинает исчезать, когда вы с ускорением спускаетесь по склону. Всякий раз, когда это происходит, я напоминаю себе (и всем, кто находится со мной в машине), что в животе непосредственно ощущаются эффекты гения Эйнштейна.

Когда Эйнштейн понял, что всегда может устранить эффекты гравитации, он назвал это самой счастливой мыслью в своей жизни. Смерть гравитации можно проследить вплоть до Галилея, гения эпохи Возрождения и основателя современной науки. По словам его ученика Винченцо Вивиани, Галилей сбрасывал сферические предметы разной массы с вершины наклонной Пизанской башни, демонстрируя профессорам и студентам, что те падают с одинаковой скоростью. Это противоречило старому утверждению Аристотеля о том, что более тяжелые предметы падают быстрее. Вопрос, действительно ли Галилей когда-то устраивал такие представления, остается предметом споров¹³, но сам эффект, безусловно, реален. Одну версию такого эксперимента провел на Луне астронавт «Аполлона-15» Дэвид Скотт. Он взял молоток и перо, а затем одновременно выпустил их из рук. Без сопротивления воздуха оба объекта упали на поверхность Луны одновременно: как и предсказывал Галилей, они падали с одинаковой скоростью. Именно это универсальное поведение гарантирует, что и вы с телефонной будкой упадете с небоскреба Бурдж-Халифа в идеальном тандеме.

Но если мы можем полностью устранить гравитацию, то в каком смысле она реальна? Можем ли мы имитировать ее в открытом космосе? Имитировать гравитацию в космосе легко: достаточно ускориться. Если бы Международная космическая станция включила свои двигатели и начала подниматься на большую высоту с ускорением в 1g, то космонавты сразу бы перестали ощущать невесомость. Корабль будет двигаться вверх, однако космонавтам покажется, что они падают вниз – точно как под действием силы тяжести. Затемните иллюминаторы, и экипаж станции вполне может обмануться, считая, что МКС рушится на Землю.

Дело в том, что гравитация и ускорение неразличимы, – в космическом корабле с затемненными иллюминаторами у вас нет возможности узнать, ощущаете ли вы действие гравитации, или корабль ускоряется в пространстве. Это эйнштейновский принцип эквивалентности – физическая эквивалентность между гравитацией с одной стороны и ускорением с другой. Вы не можете отличить их друг от друга. Если вы все еще сомневаетесь, подумайте о том, что происходит, когда вы ведете машину и поворачиваете слишком быстро. Поверните налево, и вас как будто потянет к правой двери автомобиля. Это похоже на фальшивую силу тяготения, действующую вбок. Истина в том, что автомобиль ускоряется, когда поворачивает на перекрестке, а ваше тело при этом хочет продолжить движение в прежнем направлении, в результате чего вас откидывает к противоположной двери автомобиля.

Вернемся на мгновение к нашим глубоководным исследователям. Чтобы в полной мере оценить, как для них замедляется время, нам нужно снова подумать о свете. Как гравитация влияет на свет? Поскольку гравитация и ускорение неразличимы, мы можем спросить, как ускорение влияет на свет. Представьте, что вы на космическом корабле, летящем через пустое межзвездное пространство с постоянной скоростью. У вас в руках тарелка с желе¹⁴, а у вашего друга – лазерное ружье. В случае дуэли вы бы проиграли, но это не поединок, а эксперимент. Вы предлагаете другу выстрелить лазером в желе. Когда он это делает, лазер прорезает желе по идеально прямой линии. Вы решаете повторить эксперимент, но на этот раз запускаете двигатели и начинаете разгонять ракету. Вы с другом немедленно почувствуете эффект фальшивой гравитации: теперь вы можете нормально стоять на полу космического корабля, с ускорением несущего вас в космос. Вы предлагаете включить лазер, и друг снова разрезает желе. Вы внимательно рассматриваете пути, которые проложил луч. Первый путь был прямым, однако второй оказался слегка изогнут, как показано ниже.

Что происходит, когда вы в космосе проводите лазерным лучом по желе, если космический корабль двигается с постоянной скоростью (слева) и если он ускоряется (справа)

Что случилось со вторым световым лучом? Ничего особенного. Он по-прежнему прошел через пространство по прямой линии, однако в этот момент желе ускорялось «вверх» вместе с ракетой. С вашей точки зрения (и с точки зрения желе), световой луч искривился. Хотя в этом случае искривление оказалось просто следствием ускорения желе, принцип эквивалентности говорит, что точно так же луч света должен искривляться под действием гравитации.

И он искривляется.

Подтверждение появилось вскоре после окончания Первой мировой войны. Хотя в те трудные времена в Британии мало кто воспринимал новые идеи Эйнштейна, у него имелся один сторонник. Артур Эддингтон был вдумчивым честолюбивым астрономом и пацифистом и старался, чтобы британские ученые поддерживали довоенный интерес к работам немецких коллег. Хотя получить доступ к немецким научным журналам было трудно, он узнал о трудах Эйнштейна от голландского физика Виллема де Ситтера и решил проверить предсказание, что свет от звезд должен искривляться под действием гравитации Солнца. Проблема тут в том, что яркое солнце не дает возможности увидеть свет звезд. Эддингтон понял, что для проведения соответствующего эксперимента ему нужно солнечное затмение; по его расчетам, затмение должно было произойти 29 мая 1919 года на красивом португальском острове Сан-Томе и Принсипи у западного побережья Африки, а затем зона затмения пересекала Атлантику и попадала в северную Бразилию. На африканский островок отправились Эддингтон и королевский астроном Фрэнк Уотсон Дайсон, а вторая группа ученых поехала в город Собрал в бразильском штате Сеара. Несмотря на облака и дождь, угрожавшие успеху эксперимента, ученым удалось сфотографировать во время затмения несколько звезд из скопления Гиады. Когда снимки сравнили с ночными изображениями того же скопления, положение звезд не совпадало. Следовательно, фотография, сделанная во время затмения, подтвердила, что свет звезды, проходящий близко к Солнцу, искривился, что и породило несовпадение с ночными снимками. Предсказание Эйнштейна подтвердилось и попало в заголовки новостей по всему миру. Именно в этот момент он стал суперзвездой.

Искривление света имеет важные последствия для времени. Вдали от гравитационного поля свет движется по прямой линии, и нужно всего несколько наносекунд, чтобы он добрался от лампочки на одной стене МКС до картинки на другой. Но если мы разместим МКС на орбите вокруг черной дыры, то сильное гравитационное поле искривит свет. Изогнутые пути длиннее прямых, поэтому свету потребуется немного больше времени, чтобы пройти путь от одной стены к другой. Это означает, что событие длится дольше, если гравитация больше, а поэтому гравитация должна замедлять время.

Чем сильнее гравитационное поле, тем сильнее искривляется свет и тем больше замедляется время. Вот почему Джеймс Кэмерон смог совершить прыжок в будущее, нырнув на дно Марианского желоба. Гравитационное поле Земли там сильнее, хотя и ненамного, поэтому часы идут медленнее. Обратное тоже верно. Поднимитесь высоко – и гравитационное поле немного ослабеет, заставляя часы идти быстрее. Секунда, проведенная на вершине Эвереста, примерно на триллионную долю длиннее секунды на уровне моря. Астронавты «Аполлона-17» после своего полета (двенадцать с половиной суток, включая три дня на Луне) испытали рекордное замедление времени¹⁵, вернувшись назад во времени примерно на миллисекунду¹⁶.

В 1959 году ученые непосредственно измерили влияние гравитации на время в известном эксперименте, который прошел в башне Джефферсоновской физической обсерватории в Гарвардском университете. Роберт Паунд и его ученик Глен Ребка направляли гамма-лучи (высокоэнергетические электромагнитные волны) с вершины башни высотой 22,6 метра в приемник, расположенный внизу. Их идея заключалась в том, чтобы использовать в качестве меры времени частоту гамма-лучей: часы «тикали» с каждым новым колебанием электромагнитной волны. Оказалось, что в нижней части башни частота волн была больше, чем наверху. Это означало, что одна секунда внизу соответствовала большему количеству колебаний волны, чем секунда наверху. Вывод был однозначен: значение секунды должно оказаться разным на разных концах башни. Секунда внизу содержала большее количество колебаний, поэтому она должна быть длиннее. Как и предсказывал Эйнштейн, время у подножия башни текло медленнее, чем наверху.

Способность гравитации искривлять свет и замедлять время означает, что ядро Земли примерно на два с половиной года моложе ее поверхности¹⁷. Но как гравитация делает это, если на самом деле она – обман? Как она вызывает искривление света? Истина в том, что она вовсе его не вызывает. Свет всегда проходит через пространство по прямой линии, а искривляется само пространство. Чтобы представить, что происходит, возьмите апельсин из вазы с фруктами. Отметьте две точки на поверхности фрукта достаточно далеко друг от друга, а затем нарисуйте кратчайший путь между ними. Если вы не совсем уверены, какой путь кратчайший, представьте, что эти точки находятся на «экваторе» апельсина, а затем проведите линию вдоль этого «экватора». Теперь аккуратно очистите апельсин, чтобы его кожура осталась единым куском. Расправьте кожуру на столе. Какую форму теперь имеет линия, которую вы нарисовали? Она изогнута, верно? Это очень странно, потому что кратчайшее расстояние между двумя точками вроде бы должно быть прямой линией; однако оказывается, что это справедливо только для плоской поверхности. На искривленной же кратчайшие пути искривлены – точно так, как линия, нарисованная вами на апельсине. Именно так и двигается свет. Он следует по кратчайшему пути в пространстве, но поскольку пространство искривлено, то и путь искривлен. Если вы когда-либо летали на большие расстояния из Лондона в Нью-Йорк и смотрели на карту полета, то замечали, что самолет летит по странной кривой траектории, проходящей через канадскую Арктику. Причина в том, что авиакомпания рассчитала кратчайший путь, а он изогнут, как и поверхность Земли.

Конечно, на самом деле искривлена геометрия пространства-времени. Минковский предложил, как измерять расстояния в плоской геометрии пространства-времени, но, когда оно искривляется, меры для расстояний сплющиваются и сжимаются, растягиваются и вытягиваются. Что вызывает это сплющивание и сдавливание? Материя. Вы. Солнце. Земля. Все, что имеет массу, энергию или импульс, заставляет пространство-время искривляться и искажаться. Представьте лист резины, который растянут и имеет вид плоскости. Бросьте на него тяжелый камень, и лист прогнется. Это хорошая аналогия того, что материя делает с пространством-временем.

Свет будет двигаться в этом искривленном пространстве-времени по кратчайшему пути. Он следует по особому короткому пути – настолько короткому, что его длина в пространстве-времени равна нулю. Вспомните, что именно это делает свет особенным, и это остается верным, когда пространство-время искривляется. Эти пути света называются нулевыми геодезическими. А как насчет более тяжелых вещей, например планет или звезд? Что они делают в пространстве-времени? Тоже следуют по кратчайшим доступным для них путям – аналогам прямых линий. Их пути не совпадают с путями световых лучей, потому что они перемещаются не так быстро, но в пространстве-времени они выбирают наиболее экономичный маршрут из числа тех, что им доступен. Такие пути известны как времениподобные геодезические. В искривленном пространстве-времени они искривлены. В реальности они могут выглядеть очень искривленными. Траектория Земли настолько искривлена, что зацикливается и образует эллипс, по которому двигается наша планета в своем ежегодном путешествии вокруг Солнца. На самом деле она следует по времениподобной геодезической – прямой линии, проходящей через сильно искривленное пространство-время, которое создано гравитирующим Солнцем.

Вам может показаться, что я прибегаю к слишком большой поэтической вольности, описывая эти изогнутые пути как прямые линии, когда они – явно – не прямые. Но на самом деле я выражаюсь более буквально, чем вы, вероятно, думаете. Оказывается, интересующая нас геометрия пространства-времени всегда выглядит плоской при увеличении масштаба. Это немного похоже на то, как поверхность нашей планеты кажется сферической, когда вы смотрите на нее из космоса; однако, стоя на земле, можно решить, что она плоская. Разумеется, она плоская в хорошем приближении, пока вы работаете с увеличенным масштабом, и то же справедливо для пространства-времени. Увеличьте масштаб – и даже самая искривленная геометрия будет выглядеть точно так же, как пространство-время, описанное Минковским. Благодаря этой способности увеличивать масштаб и открывать пространство-время Минковского мы можем покончить с гравитацией, по крайней мере в достаточно небольшом объеме. Именно это происходило, когда вы прыгали с небоскреба Бурдж-Халифа. Конечно, Земля создает искривленное пространство-время, однако, спрыгнув с самого высокого здания в мире в телефонной будке, вы обнаружите, что увеличиваете масштаб и вовсе избавляетесь от гравитации, по крайней мере в очень хорошем приближении.

Эти кратчайшие пути – времениподобные геодезические – одинаковы, кто бы или что бы ни двигалось по ним. Молоток или перо – неважно: оба будут следовать времениподобной геодезической и путешествовать в пространстве-времени со скоростью света. Оба объекта падают в точности одинаково, как и предсказывал Галилей. Но только Эйнштейн объяснил, почему это происходит.

Теория Эйнштейна раз за разом торжествовала: ее диковинные предсказания подтверждались еще более диковинными экспериментами – от искривления света и амбициозной послевоенной экспедиции Эддингтона на остров Сан-Томе и Принсипи до гравитационного замедления времени и эксперимента с гамма-лучами, проведенного Паундом и Ребкой. Еще один важный метод проверки эйнштейновской теории дают орбиты планет, и примечательнее всего здесь траектория движения Меркурия. Хотя его орбита эллиптична, сам эллипс двигается, прецессирует, ежегодно чуть-чуть меняя свое положение. О таком неустойчивом перемещении Меркурия предупреждает даже ньютоновская теория гравитации (из-за гравитационных эффектов других планет), хотя предсказанные ею величины не соответствуют действительности. Когда французский математик Урбен Леверье заметил это, он предположил, что между Меркурием и Солнцем находится еще одна планета – невидимый темный Вулкан, который влияет на движение Меркурия. Согласно расчетам Леверье, гравитации Вулкана было бы достаточно, чтобы дать орбите Меркурия тот толчок, что необходим для ее непрерывного изменения. На предсказаниях такого рода Леверье построил карьеру: в августе 1846 года он предсказал существование планеты Нептун, исследуя изменения орбиты Урана¹⁸. Буквально на следующий день после получения письма с расчетами два немецких астронома Иоганн Галле и Генрих д’Арре обнаружили Нептун на расстоянии примерно одного градуса от местоположения, предсказанного Леверье¹⁹. А вот Вулкан так никогда и не нашли, несмотря на несколько ложных тревог. Вулкана в реальности не существует, а нестабильность орбиты Меркурия можно объяснить поправками, вытекающими из теории Эйнштейна. Меркурий больше других планет чувствителен к ним, потому что находится ближе всего к Солнцу.

Эта предостерегающая история о противоположных судьбах Нептуна и Вулкана эхом отзывается и в XXI веке. Сегодня мы обсуждаем необходимость темной материи и темной энергии, чтобы привести нашу теорию в соответствие с реальными космологическими наблюдениями. Высказано предположение, что они не более реальны, чем Вулкан, и то, что мы видим, объясняется какими-то поправками, вытекающими из еще более новой теории гравитации – усовершенствованной теории Эйнштейна, касающейся астрофизики и космологии. Хотя эта идея обрела популярность на рубеже тысячелетий, недавно она заглохла после еще одного подарка для первоначальной теории Эйнштейна – открытия гравитационных волн в 2015 году. Эйнштейн предсказывал, что пространство-время – динамичный монстр, что по нему должна пробегать рябь – гравитационные волны, определенным образом искажающие форму времени и пространства. Существуют альтернативные теории, которые предсказывают волны, искажающие пространство-время иначе, но те волны, которые мы измерили, полностью совпадают с исходным предсказанием Эйнштейна. Если Солнце волшебным образом пропадет, нам сообщит об этом именно гравитационная волна – точнее, пространственно-временное цунами. Эта волна пройдет через Солнечную систему со скоростью света, разрывая гравитационное поле Солнца, и это станет последним апокалиптическим подтверждением торжества Эйнштейна над Ньютоном.

Если Усэйн Болт стал пределом относительности в мире людей, апогеем нашей физической способности игр со временем, то что эквивалентно гравитации? Где она искажает время до неузнаваемости? Ответ находится в «украшенном темном источнике бесконечного творения».

Он находится в Повехи.

Взгляд в бездну

Повехи. Это слово взято из «Кумилипо» – древней гавайской песни, описывающей сотворение мира. Его можно примерно перевести как «украшенный темный источник бесконечного творения». На языке маори оно просто означает «ужас». Повехи – монстр, ужасающий левиафан, скрывающийся в ядре Мессье 87 – сверхгигантской галактики в созвездии Девы. Жители Земли впервые увидели его в апреле 2019 года.

Изображение Повехи, полученное в проекте Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий»)

Поразительное изображение Повехи создала система Event Horizon Telescope, состоящая из восьми наземных радиообсерваторий, стратегически расположенных по всему миру. Если учесть размер и расстояние до источника, достижение было выдающимся. Представьте, что вы сидите в парижском кафе и с помощью телескопа пытаетесь прочесть газету в Нью-Йорке. Именно это требовалось, чтобы получить удивительное изображение с такими великолепными деталями.

Но что это за ужас, что за темный источник? Повехи – черная дыра гигантских размеров, в миллиарды раз массивнее Солнца. Это гравитация, доведенная до ужасающего предела. Мы уже видели, как свет искривляется под действием гравитации. Что происходит, когда вы усиливаете гравитационное поле, когда вы все больше искривляете пространство-время? Вы создаете тюрьму. Свет искривляется до такой степени, что оказывается в ловушке, он не может убежать; но если не может убежать свет, то не убежит ничто. Повехи – космическая темница, неумолимый ад, тюрьма для забытых.

Первым человеком, додумавшимся до таких ужасов, был английский священник. В ноябре 1783 года преподобный Джон Мичелл предположил, что могут существовать темные звезды – огромные астрофизические объекты, в пятьсот раз превышающие по размерам Солнце, гравитационное притяжение которых настолько велико, что даже свет не может от них вырваться²⁰. Для того времени идея была увлекательной, хотя вскоре о ней забыли. Причина в том, что она базировалась на корпускулярной теории, согласно которой свет состоит из частиц, а после экспериментов Томаса Юнга на рубеже XIX века эта теория уступила место волновой модели света. Хотя работу Мичелла о черных дырах игнорировали почти два века, другие его труды снискали большее признание. Он был даже провозглашен отцом сейсмологии: его работа о разрушительном землетрясении и цунами, от которых в 1755 году пострадал Лиссабон, содержала идею, что землетрясение произошло из-за разломов земной коры, а не из-за атмосферных возмущений.

Сегодня большинство ученых считают, что черные дыры действительно существуют. Как правило, они образуются, когда у какой-то достаточно крупной звезды – как минимум в двадцать раз тяжелее Солнца – заканчивается топливо. Звезды получают энергию от ядерного синтеза, соединяя ядра атомов в своем ядре – печи, где постоянно взрываются термоядерные бомбы. Эта сила не дает звезде сколлапсировать под собственным весом: направленное наружу тепловое давление противодействует силе гравитации. Однако этот процесс не длится вечно. Как только звезда создает в своем ядре слишком много железа, процессы синтеза становятся неэффективными и она больше не может удерживать собственный вес. Наступает смерть звезды. Гравитация быстро начинает побеждать, сдавливая ее, и удавка становится все туже и туже. А затем взрыв! Звезда дает отпор, наносит резкий ответный удар безжалостной атаке гравитации. Борьбу ведут нейтроны – частицы в ядре звезды, яростно отталкивающие друг друга из-за сильного взаимодействия всякий раз, когда их прижимают слишком близко друг к другу. Внешние слои материи падают внутрь, ударяются о неподвижное ядро нейтронов и отскакивают. В одно мгновение волна давления пробивается к поверхности звезды, и она взрывается. Сверхновая, катастрофическое событие, ненадолго затмевающее всю галактику.

Что останется? Вероятнее всего, это будет нейтронная звезда – объект, плотность которого так велика, что чайная ложка его вещества будет весить столько же, сколько гора на Земле. Если общая масса нейтронной звезды не превысит примерно три массы Солнца, то у нее есть шанс на выживание. Чуть тяжелее – и гравитационная удавка снова начнет затягиваться. Ничего не смогут сделать и нейтроны. Ничто не сможет ничего сделать. Коллапс становится неудержимым. В конце концов звезда оказывается настолько плотной, что свет больше не может выйти наружу. Все, что когда-то было звездой, скрыто за горизонтом событий – люком в космическую темницу, сфероидальной поверхностью, после пересечения которой нет возврата.

Примерно одна звезда из тысячи достаточно тяжела, чтобы закончить свою жизнь под воздействием гравитации. Такие черные дыры массой со звезду есть повсюду, они разбросаны по всей галактике; это мрачные остатки самых больших и мощных звезд, когда-либо существовавших. Однако Повехи – это нечто большее. Черные дыры, появившиеся в результате смерти звезды, обычно имеют массу в 5–10 масс Солнца, а масса Повехи – это 6,5 млрд Солнц. Этот колосс – сверхмассивная черная дыра, которая находится в ядре огромной галактики M 87, удаленной от нас более чем на 50 млн световых лет. Повехи затмевает нашего собственного монстра: в центре нашей галактики Млечный Путь находится черная дыра массой 4 млн солнечных масс, которую называют Стрелец А*. Считается, что большинство галактик привязано к сверхмассивной черной дыре в их центре. Галактика 0402+379 содержит две такие черные дыры, – вероятно, это результат столкновения двух исходных галактик. В ядре 0402+379 должны бушевать цунами гравитационных волн, разрывающих пространство-время, пока два эти чудовища борются за верховенство. Сейчас мы не вполне понимаем, как появилась Повехи или любая другая из таких громад. Возможно, это прожорливые остатки гигантских звезд: когда-то эти черные дыры имели массу звезды, а потом выросли до гигантских размеров, миллионы лет питаясь всей материей, которая осмеливалась подойти к ним слишком близко.

Черную дыру определяет существование горизонта событий. Чтобы оставаться неподвижным на его поверхности, вам надо двигаться со скоростью света. Если вы приблизитесь к горизонту событий у черной дыры с массой звезды, это станет фатальным. В каком-то смысле это странно: вспомните, что гравитация – обман и мы можем избавиться от нее, забравшись в затемненную телефонную будку и упав (хоть с небоскреба Бурдж-Халифа, хоть к горизонту событий черной дыры). Проблема в том, что область, в которой мы можем от нее избавиться, – размер телефонной будки, – становится все меньше по мере того, как гравитационное поле усиливается, а пространство-время все больше искривляется. За пределами нашей будки есть опасные перепады гравитационного напряжения – приливы гравитации, которые нельзя игнорировать. Для черной дыры массой со звезду горизонт находится слишком близко ко дну гравитационного колодца, и приливы гравитации разорвут вас, как только вы подойдете слишком близко. С другой стороны, для сверхгигантской черной дыры вроде Повехи дно колодца находится дальше, поэтому прохождение через горизонт ничем не примечательно. Но как только вы переступите этот порог, ваши дни сочтены. Буквально. Время закончится. В центре черной дыры находится сингулярность – место, где пространство-время прикасается к бесконечности, где гравитационное поле неограниченно растет. Сингулярность – это не конец пространства, а конец времени. Как только вы пересечете горизонт событий, ваша траектория в пространстве-времени приведет вас в эту точку – в место, где не существует завтра, где нет будущего, даже в принципе. Когда вы приближаетесь к этому Армагеддону, гравитационные напряжения – эти чудовищные приливы – растягивают вас, как спагетти, атомы в вашем теле разделяются, их ядра разрываются на протоны и нейтроны, а те – на составляющие их кварки и глюоны. Какое бы сознание ни оставалось, оно будет стремиться к этой сингулярности, сострадательной неизбежности.

Однако сторонние наблюдатели, смотрящие издалека, как вы падаете в черную дыру, увидят совсем другую картину. Сначала они обнаружат, как вы ускоряетесь в сторону забвения, а если бы они могли как-то посмотреть на ваши субъективные часы у вас на запястье, они увидели бы, что эти часы замедляются все больше – по мере того как вы все глубже погружаетесь в гравитационный колодец. Пока вы приближались к горизонту событий, они (и вы) замедлились вплоть до полной остановки. Вы как будто застыли во времени и пространстве, украсив собой горизонт и став постоянным напоминанием о том, что может случиться, если вы подойдете слишком близко. Это вовсе не значит, что вы на самом деле не попадете в черную дыру; обязательно попадете, просто наблюдатели извне никогда этого не увидят, ведь каждый миг, который вы проводите на горизонте событий, для них будет вечностью.

Для объектов, находящихся подальше от горизонта, время не останавливается, но при достаточном приближении значительно замедляется. Если черная дыра достаточно быстро вращается, то могут существовать стабильные орбиты планет, которые подходят очень близко к горизонту событий. В принципе вы можете ненадолго побывать на них, замедлить время, а затем вернуться домой, оказавшись на целые годы в будущем. В фильме «Интерстеллар» экипаж космического корабля «Эндьюрэнс» испытал на себе всю силу гравитационного замедления времени, посетив планету Миллер, вращающуюся вокруг сверхмассивной черной дыры под названием Гаргантюа. Она вращается так быстро (всего на триллионную долю процента меньше теоретического максимума), что планета Миллер может приближаться к горизонту событий почти вплотную – на расстояние всего в несколько тысячных долей процента от радиуса горизонта²¹. Разведывательная группа находится на планете чуть более трех часов, но после возвращения герои обнаруживают, что их коллега, оставшийся на борту «Эндьюрэнса», постарел аж на двадцать три года. Нужно сказать, что черные дыры с таким моментом вращения невероятно редки (если они вообще существуют), поскольку есть природные механизмы, не дающие моменту увеличиться до уровня выше 99,8 процента от максимального. Это означает, что орбиты планет не могут располагаться настолько близко к горизонту, поэтому эффект замедления времени будет слабее. Вращательный момент Повехи вполне может оказаться примерно на уровне 99,8 процента. Три часа, проведенные на какой-нибудь планете, вращающейся близко к этой настоящей черной дыре, равнялись бы 32 часам и 24 минутам для тех, кто ждет на корабле-базе. Это не совсем «по-голливудски», зато Повехи реальна, мы ее видели, и, возможно, некоторые из ее планет населены существами, жизнь которых течет почти в одиннадцать раз медленнее по сравнению с нашим бешеным существованием на Земле.

Не стоит заблуждаться: изображение Повехи – убедительное доказательство существования черных дыр в природе, но не окончательное. Ведь мы видим не сам горизонт событий, а тень, которая в два с половиной раза больше. Несмотря на замечательные и впечатляющие изображения, полученные в проекте Event Horizon, самые убедительные доказательства существования черных дыр дают гравитационные волны.

14 сентября 2015 года ученые из LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) впервые обнаружили эту крохотную рябь на ткани пространства-времени. Система LIGO использует две обсерватории: выведенный из эксплуатации ядерный производственный комплекс в Хэнфорде и обсерваторию в кишащих аллигаторами болотах города Ливингстон. Эта мельчайшая рябь растянула и сжала четырехкилометровые рукава детекторов менее чем на ширину протона – таков был признак бурного слияния двух черных дыр массой в 36 и 29 солнечных масс, произошедшего где-то далеко в наблюдаемой Вселенной. Энергия, выделившаяся при слиянии, впечатляет: она эквивалентна массе трех Солнц или 1034 бомб, сброшенных на Хиросиму, и это взрывное пространственно-временное цунами сминает и растягивает пространство. Но, возможно, такую волну могло произвести какое-то другое событие или какой-нибудь иной экзотический компактный объект, не являющийся черной дырой? В момент слияния два объекта находились всего в 350 километрах друг от друга, а совокупная масса 65 Солнц втискивалась в область, менее чем вдвое превышающую размер предполагаемого горизонта событий. Трудно вообразить, что это была не пара черных дыр, стремящихся по спирали к последнему объятию, а что-то иное.

Число 1,000000000000000858 поначалу не казалось большим, но его оказалось достаточно, чтобы открыть дверь в незнакомый мир. Когда Усэйн Болт пробился к этому мировому рекорду замедления времени, он коснулся грани относительности. Он побудил нас заглянуть в мир физики, далекий от повседневной интуиции, где беговые дорожки сжимаются, а время замедляется. В самом крайнем проявлении это физика черных дыр, где время останавливается для несчастной жертвы, упавшей в горизонт событий. Нам посчастливилось жить в беспрецедентную эпоху открытия черных дыр: мы можем видеть темную тень, отбрасываемую гигантской дырой Повехи в сердце чудовищной галактики; мы можем слышать, как эти левиафаны сталкиваются, а гравитационные волны грохочут в пространстве-времени подобно релятивистскому раскату грома, сигнализирующего о свадьбе небесных богов. Физика этих богов предполагает призрачную истину о нашей физической реальности – голографическую истину, Вселенную, заключенную в голограмме. Именно эту историю мы продолжим рассказывать в следующих главах, исследуя идеи энтропии, хранительницы секретов, и квантовой механики, правящей в субатомном мире. Это история, которую можно рассказать с помощью чудовищных чисел, больше по величине и даже более интересных, чем число 1,000000000000000858.

Гугол

Истории Джерарда Гранта

В детстве мой двоюродный брат Джерард Грант любил рассказывать нам истории о привидениях. Он описывал, как видел в лунном свете призрак своего деда, молившийся перед статуей Девы Марии; или случай, когда он жил в кемпинге в отдаленной части Ирландии и, проснувшись, обнаружил, что бекон и яйца шипят на плитке возле его палатки. По его словам, тут действовал «маленький народец», лепреконы. Была даже байка о человеке, который предсказал собственную смерть. «Он увидел, как идет следом за самим собой, – рассказывал нам Джерард. – Доппельгангер, двойник. Точная копия. Тогда он понял, что умрет». И умер. Ну по крайней мере, так уверял Джерард.

Вы можете решить, что байкам о доппельгангерах не место в серьезной книге по физике и математике. Но когда дело доходит до рассказов о числовых колоссах, стоит ожидать неожиданного. Эта история начинается с гугола:

10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

Это единица, за которой следует сто нулей, или десять в сотой степени. В гуголе есть десятичная элегантность, возможно даже декаданс, и мы можем смело считать его большим числом по любым земным меркам. Если бы вы выиграли в лотерею гугол фунтов стерлингов, вы могли бы купить себе роскошную яхту или даже целый флот роскошных яхт, авианосец или, если пожелаете, любое судно на всей планете. Вы сможете купить даже Соединенные Штаты Америки. США в целом, вероятно, обойдутся вам менее чем в 50 трлн долларов, что для гуголлионера пустяк. Вы сможете купить буквально все: каждую молекулу, каждый атом, каждую элементарную частицу в наблюдаемой Вселенной. Во Вселенной около 10⁸⁰ частиц, так что с такой суммой вы можете позволить себе заплатить более квинтиллиона фунтов за каждую из них.

Легенда о гуголе начинается с Милтона Сиротты, девятилетнего племянника выдающегося математика Эдварда Казнера из Колумбийского университета. Казнер принадлежит к избранной группе людей, у которых есть собственное пространство-время, таких как Герман Минковский, Карл Шварцшильд и Рой Керр. Казнеровское пространство-время не похоже ни на одну Вселенную, которую вы когда-либо видели. Если бы вы оказались внутри него, то обнаружили бы, что одни измерения пространства расширяются, а другие сжимаются, как кусок теста, который растягивается в одну сторону и сжимается в другую. Впрочем, этот ужасающий мир не имеет ничего общего с гуголом. Когда Казнер придумывал это понятие, математик пытался передать необъятность бесконечности. Он подчеркивал, что даже те числа, которые кажутся очень большими, в любом практическом смысле исчезающе малы по сравнению с бесконечностью. Он решил проиллюстрировать этот факт, используя единицу с сотней нулей, но ему нужно было название для этой крохотной громадины. Десять дуотригинтиллионов или десять сексдециллиардов действительно не подходят. Предложение его племянника Милтона было гораздо лучше: гугол.

Забавно: число, которое превозносят за то, что оно такое большое, первоначально было введено, чтобы продемонстрировать, насколько оно мало. Вскоре Казнер и его племянник придумали еще одно фантастическое число: гуголплекс. Согласно первоначальному определению Милтона, гуголплекс – единица, за которой идут нули, «пока не устанешь». Чтобы выяснить, насколько велико оно в реальности, я провел эксперимент: за одну минуту я смог написать единицу со 135 нулями в довольно спокойном темпе, не устав, так что гуголплекс явно больше гугола. Чтобы немного подтолкнуть ситуацию, было бы неплохо нанять кого-нибудь, обладающего выносливостью Рэнди Гарднера. В середине 1960-х семнадцатилетний подросток Рэнди Гарднер бодрствовал 11 дней и 25 минут в рамках эксперимента по изучению последствий недосыпания. Если бы он потратил это время на написание гуголплекса, постоянно работая в моем неторопливом темпе, он бы написал единицу с 2 141 775 нулями. Это много, но в итоге Казнер потребовал менее расплывчатого определения гуголплекса и остановился на числе, далеко выходящем за рамки критериев Милтона. Казнер определил свое новое число как единицу, за которой следует гугол нулей. Вдумайтесь: гугол нулей! Десять в степени гугол! Хотя это число кажется поистине колоссальным, Казнер понимал, что существует бесконечное множество чисел, которые гораздо больше.

Например, гуголплексиан. Это единица, за которой следует гуголплекс нулей. Гуголплексиан также называют гуголплексплекс или гуголдуплекс. На деле эти последние термины намного мощнее, поскольку они позволяют нам использовать идею рекурсии для создания целой башни поистине огромных чисел. От гуголдуплекса можно перейти к гуголтриплексу (у которого за единицей следует гуголдуплекс нулей), а затем к гуголквадруплексу (с гуголтриплексом нулей) и т. д.²²

Но мы увлеклись. Мы ограничимся гуголом и гуголплексом, потому что их уже более чем достаточно, чтобы пролить свет на следующий фрагмент любопытной физики и вернуться к предостерегающей истории о двойнике-доппельгангере. Дело в следующем: когда мы воображаем гуголианскую или даже гуголплексианскую Вселенную, мы можем начать задаваться вопросом, реальны ли двойники. Под гуголианской Вселенной я подразумеваю такую, которая имеет размер не менее гугола в любых земных единицах измерения расстояния, которые вы выберете (метры, дюймы, фарлонги – конкретная единица не имеет особого значения). Гуголплексианская Вселенная еще больше – ее поперечник составляет гуголплекс тех же земных единиц.

Идея космологических двойников восходит к физику из Массачусетского технологического института Максу Тегмарку²³. Он вообразил огромную и великолепную Вселенную с далекими мирами, недоступными для любого телескопа, и оценил расстояние до вашей точной копии, имеющейся где-то далеко в космосе, – с точно такой же прической, тем же носом и даже теми же мыслями. Когда я впервые прочитал его заявление, я был настроен скептически. Не в обиду будет сказано, зачем Вселенной нужна еще одна ваша версия? Или моя? Или Джеймса Кордена?²⁴ А потом я сел и задумался. Заявление Тегмарка было следствием голографического мира, величайшей иллюзии во всей физике.

Я решил самостоятельно оценить это расстояние, используя определенные важные идеи, которые привели некоторых величайших физиков мира к голографической истине. Это история, которую мне нужно будет рассказать вам за две главы, между гуголом и гуголплексом. Она начинается с энтропии и того, что она может означать для человека и черной дыры размером с человека. Она уводит нас вглубь квантовой теории, волшебного компонента микроскопического мира, определяя, что в реальности означает, что вы – это вы, и ваш двойник – тоже вы. Моя итоговая оценка получилась чуть более консервативной, чем оценка Тегмарка, но они сравнимы. Я получил, что расстояние между вами и вашим двойником (в метрах, милях или любых других земных единицах, которые вы хотите использовать) находится где-то между двумя нашими громадинами: гуголом и гуголплексом. Иными словами, вы не найдете своего двойника в гуголианской Вселенной, но в гуголплексианской они почти наверняка будут существовать. Возможно, они даже читают точную копию этой книги.

Похититель – энтропия

Взгляните в зеркало. Что вы видите? Каждый раз, когда я смотрю на свое отражение, я обычно замечаю пятнышки седых волос или перекрещивающиеся морщинки, унаследованные от моей испанской бабушки – моей абуэлиты²⁵. Они меня не волнуют. В конце концов, я физик-теоретик. Люди моей профессии не особо беспокоятся о своей внешности. Но я вижу ход времени, увеличение энтропии.

Если мы хотим оценить расстояние до вашего двойника, мы должны сначала понять, что такое энтропия, и осознать ужас ее увеличения. Энтропию часто понимают неправильно, легкомысленно считая синонимом беспорядка или разрушения. На самом деле ее лучше воспринимать как похитителя или тюремщика. Это ключ, который навсегда запирает энергию. И однажды сделает это с энергией всей Вселенной. Представьте себя на мгновение в викторианской Англии. Вы смотрите вниз на клубы черного дыма, поднимающиеся из труб какого-нибудь северного городка. Рабочие, как муравьи, ползут на фабрики; их дома, расположенные уступами, окутаны сатанинской дымкой смога. Именно тогда аппетит человечества впервые стал ненасытным: больше машин, больше энергии, больше мощности. Но это не может продолжаться вечно – и не потому, что планета умирает от последствий изменения климата, а из-за энтропии и ее угрожающего роста.

История энтропии началась на этих викторианских фабриках и в пытливом уме молодого французского военного инженера Сади Карно. Вдохновленный дымом и громом промышленной революции, Карно изобрел собственную область физики – термодинамику, посвященную динамике тепла и его связи с механической энергией. Всякий раз, когда вы сжигаете топливо, цель в том, чтобы преобразовать выделяющуюся теплоту во что-то полезное. Например, в двигателе вашего автомобиля топливо сгорает очень быстро, и получающиеся горячие газы толкают поршни. Затем это движение передается через коленчатый вал к колесам, и автомобиль едет. В начале XIX века никаких автомобилей не было, но идеи Карно вышли далеко за рамки поездов и фабрик того времени. Он понял, что ключ к двигателю – разница температур. Когда она существует, вы можете получить полезную механическую работу – например, перемещение поезда вперед или движущую силу машины. Однако тепло всегда будет переходить от горячего тела к холодному, пока разница температур не исчезнет, и на этом все закончится. Система прекратит работать, и вы уже не сможете подавать энергию к машинам.

Возможно, вы решите, что можно как-то перераспределить тепло (может быть, даже с помощью своей машины), чтобы снова что-нибудь нагреть или охладить в надежде на то, что разница температур опять появится и вы обеспечите какую-то полезную работу. Отчасти это верно, однако Карно сумел показать, что такое перераспределение всегда потребует вложить больше энергии, чем вы получите. Применительно к автомобилю эта идея означает следующее: вы преобразуете кинетическую энергию автомобиля обратно в топливо, и это избавляет вас от необходимости заправляться на бензоколонке. При достаточной ловкости вы могли бы вернуть часть этой энергии, но не столько, сколько вы изначально вложили, так что в итоге ваш двигатель заглохнет. Проблема в том, что в реальном мире вы всегда что-то теряете. Вы никогда не сможете полностью вернуть свои двигатели в исходное состояние, по крайней мере бесплатно. Знания такого рода были важны для викторианских предпринимателей, которые размышляли о потенциальной прибыли от своих заводов. Как мы увидим, они также будут важны для нас, если мы хотим понимать, как энтропийный психопат душит жизнь во всей Вселенной.

Трудно решить, что замечательнее всего в работе Карно: то, что он понял все это до того, как люди узнали о сохранении энергии (мы вернемся к этому чуть позже), или то, что он сделал это с помощью – так уж вышло – совершенно неправильной модели теплоты. Подобно многим своим современникам, он считал, что тепло – некий невесомый флюид, который называли тогда теплородом. На самом деле его не существует. В целом это не имело особого значения благодаря уникальной способности Карно отбрасывать детали и сосредоточиваться на том, что действительно важно. Через четыре года после публикации своих идей Карно уволился из армии, а через десять лет умер. В 36 лет его забрала эпидемия холеры, унесшая в 1832 году почти 20 000 жизней парижан. В соответствии с тогдашними правилами сожгли не только тело ученого, но и большую часть его вещей, включая несколько неопубликованных работ. Люди осознали гениальность Карно только через десятки лет, а содержание сожженных рукописей мы не узнаем уже никогда. Как мы увидим, такие трагедии повторятся много раз на протяжении всей истории термодинамики.

Одна из них – трагическая история Юлиуса фон Майера. После изучения медицины он в 1840 году отправился судовым врачом в экспедиции в Голландскую Ост-Индию. Если какой-нибудь моряк заболевал, Майер прибегал к кровопусканию: открывал вену пациента, чтобы попытаться облегчить симптомы. Обычная практика того времени привела Майера к поразительному открытию. Он заметил, что кровь в венах моряков была такой же ярко-красной, как и артериальная. А в более холодных краях, например в его родной Германии, венозная кровь, направляющаяся к легким, намного темнее и бархатистее, и причина тому – нехватка кислорода, который используется телом для поддержания тепла за счет медленного сжигания пищи. Майер понял: чтобы согреваться под тропическим солнцем, морякам достаточно сжигать меньше топлива, поэтому в их венах течет кровь с более высоким уровнем кислорода, чем можно было бы ожидать. Это означало эквивалентность тепла, выделяемого пищей в организме, и солнечного тепла. Майер пришел к выводу, что любое тепло эквивалентно энергии.

С помощью небольшого кровопускания судовой врач установил первый закон термодинамики: энергия никогда не создается и не уничтожается. Это вечный оборотень, который существует всегда, постоянно переходя из одной формы в другую. Он также определил, что теплота представляет собой форму энергии, в отличие от старой модели теплорода, которая вдохновляла Карно. Майер описал свои выводы, однако его работа не получила признания. Из-за отсутствия физического образования статьи немецкого медика отличались плохим изложением и изобиловали ошибками. Независимо к тем же выводам пришел английский физик Джеймс Джоуль, и благодаря большей научной строгости почти все заслуги в этом открытии приписали ему. Неприятности продолжались: вскоре после этого у Майера умерли двое детей, он впал в депрессию, попытался покончить жизнь самоубийством и закончил свои дни в психиатрической больнице – блестящий ученый, сломленный личной трагедией и пренебрежением коллег²⁶.

Ничто не может избежать проклятия термодинамики. В конце концов это коснется каждого из нас и каждой части Вселенной, в которой мы живем. Чтобы понять тот ужас, который ждет нас, предлагаю приготовить чашку чая. После заваривания вы видите разницу температур между чаем и окружающим воздухом. Согласно теории Карно, в этом случае можно установить крошечную тепловую машину, которая сумеет преобразовывать тепло в полезную механическую работу. Может, вы даже запустите какой-то крошечный моторчик. Разумеется, если вы отвлечетесь и оставите чай надолго, то тепло будет переходить от напитка к воздуху, пока они оба не дойдут до одинаковой температуры. В этом случае вы окажетесь вне игры: вся имеющаяся тепловая энергия внезапно станет бесполезной и недостижимой. Чтобы двигатель снова заработал, потребуется восстановить перепад температур, однако нельзя просто щелкнуть выключателем и ожидать, что он сам по себе появится. Для восстановления разности температур всегда нужны какие-то затраты энергии, и она должна поступать откуда-то еще. Проще всего вскипятить чайник и заварить еще одну чашку чая, но это не проходит даром.

Что-то забирает у нас энергию. Да, конечно, она не уничтожается, но уходит за пределы досягаемости. Кто или что ее забирает? Что заставляет тепло двигаться, когда мы надолго оставляем чашку горячего чая? Что стремится устранить разницу температур и помешать нам извлекать энергию, которую можно использовать?

Этот похититель – энтропия.

До этой идеи дошел немецкий физик и математик Рудольф Клаузиус, который пересмотрел работы Карно в свете открытий Джоуля и фон Майера. Энтропия – фактор переноса тепла, средство блокировки энергии. Клаузиус объявил ее свойством преобразований. Термин «энтропия» образован от греческого слова τροπή, означающего «обращение», «превращение», «поворотный момент», в частности в сражении. С помощью хитроумной математики Клаузиус вывел формулу, связывающую энтропию с энергией, которую она блокирует. Он обнаружил, что изменения энтропии растут вместе с изменениями энергии. Кроме того, энтропия оказывается наиболее чувствительной к ним при низких температурах, когда система находится в холодном состоянии²⁷.

Чтобы посмотреть на формулу Клаузиуса²⁸ в действии, представьте чайник, который получает энергию от термоядерного взрыва, и сорт чая, способный выдержать невероятно высокие температуры. Этот термоядерный чайник нагревает чай до 100 млн градусов Цельсия (выше температуры солнечного ядра). Что произойдет, когда миллионная часть миллиардной доли джоуля²⁹ тепла перейдет от чая в окружающий воздух? Поскольку напиток теряет часть своей тепловой энергии, то в соответствии с формулой Клаузиуса энтропия чая немного упадет – чуть менее чем на единицу. Когда воздух поглотит потерянную энергию, его энтропия возрастет. Вопрос: энтропия воздуха увеличится больше или меньше, чем на ту единицу, что была потеряна чаем? Ответ весьма примечателен. Окружающий воздух должен быть примерно в миллион раз холоднее такого сверхгорячего чая (иначе у вас серьезные проблемы). Поэтому его энтропия в миллион раз более восприимчива к изменениям энергии, – иными словами, она увеличится почти на миллион единиц. Возросшая энтропия воздуха значительно перевесит уменьшившуюся энтропию чая. Энтропия комбинированной системы – чая и воздуха – гарантированно возрастет.

Этот рост энтропии известен как второй закон термодинамики. Он говорит нам о том, что полная энтропия системы никогда не может уменьшаться. В некоторых случаях она остается на прежнем уровне, но в грубой хаотичной реальности физического мира она склонна повышаться, как это было с перегретой чашкой чая. Эта растущая энтропия становится причиной того, что ветряные мельницы и автомобильные двигатели всегда что-то теряют в окружающей среде. Второй закон можно применить даже к Вселенной в целом, и эта стрела времени, направленная из прошлого в будущее, показывает неуклонное возрастание энтропии. Именно это возрастание – эту стрелу, направленную в будущее, – я вижу, когда смотрю в зеркале на свои седые волосы. И это пугает меня – не из-за моего движения к старости, а из-за того, что все это означает для Вселенной. По мере того как энтропия Вселенной растет, она превращает все больше энергии в бесполезную передачу тепла. Она постепенно душит наши ресурсы, отнимая у нас способность выполнять работу, блокируя все больше полезной энергии, подобно смирительной рубашке, которая затягивается все сильнее. Будущее – постэнтропический кошмар, охваченный параличом. Нас ждет тепловая смерть, ждет Вселенная, в которой нет движения, действия.

Хотя Клаузиус объяснил, что делает энтропия, он не рассказал, что это такое. Так что же это? И какое отношение она может иметь к двойникам? Чтобы по-настоящему понять энтропию, нам нужно глубже заглянуть в двигатели промышленной революции, нужно посмотреть на газ внутри них.

По большей части газ – это ничто, обширное пространство пустоты, в котором беспорядочно перемещаются атомы и молекулы. Вы можете вообразить рой сердитых насекомых, запертых в пустом сарае, беспорядочно летающих от стены к стене слева направо и справа налево, сталкивающихся, падающих и снова поднимающихся. Чтобы представить, как газ становится все горячее, нужно вообразить, что эти мухи летают все быстрее. Под температурой понимается средняя кинетическая энергия, которая за счет движения есть у каждой молекулы (в нашем примере – у каждого насекомого). Время от времени при своем беспорядочном перемещении насекомые сталкиваются и упруго отлетают друг от друга. Они случайным образом отражаются от стен и предметов, и эта совокупная сила ощущается как давление. Если бы вы попали в этот сарай, они налетали бы на вас и вы бы ощущали их коллективное прикосновение. Если насекомых в сарае будет больше, они начнут налетать на вас чаще, касания станут сильнее, давление будет расти. Если мы начнем набивать ими сарай все больше, то такое давление раздавит вас и уничтожит. Как известно, именно такой ужас творится на Венере, где давление воздуха в девяносто раз выше, чем на Земле. Если вы окажетесь там, молекулы местного воздуха мгновенно раздавят вас насмерть.

Эту «насекомообразную» модель газа предложил в 1738 году Даниил Бернулли, швейцарский принц из аристократического Дома науки, в который входили его отец Иоганн и дядя Якоб – пионеры математического анализа и теории вероятностей³⁰. Модель Бернулли позволила ему вывести из механики молекулярных столкновений закон Бойля, дающий соотношение между давлением и объемом газа. Несмотря на этот успех и солидное положение физика в научных кругах, другие ученые восприняли модель Бернулли не особо приветливо. В XVIII веке большинство физиков все еще придерживались модели теплорода, где температура определялась как плотность этого флюида. Они не понимали, зачем Бернулли представил теплоту как форму энергии, заключенной в микроскопическом движении мельчайших частиц. В конце концов, это происходило за целый век до Майера и его кровопускательных прозрений. Бернулли просто опередил свое время.

Чтобы еще больше усложнить жизнь Бернулли, его отец Иоганн попытался украсть работу сына, неправильно датировав собственную (более позднюю) рукопись, чтобы казалось, что она была написана раньше. Дух соперничества со стороны Иоганна и раньше портил отношения между ним и Даниилом. В 1733 году их самостоятельные работы поделили награду Парижской академии. Этот компромисс так разозлил Иоганна, что он порвал с сыном.

Когда теория теплорода умерла от руки Клаузиуса, блестящую идею Даниила Бернулли ждало возрождение. В частности, ею занимались трое ученых: Максвелл, маэстро электричества и магнетизма; тихий американец Джозайя Уиллард Гиббс; и в первую очередь – Людвиг Больцман, измученный гений, который в конце концов покончил с собой.

Клаузиус, Максвелл, Больцман, Гиббс и другие физики начали применять к модели Бернулли статистические методы. В конце концов, она описывала газ, где многочисленные беспорядочно движущиеся частицы отскакивали и прокладывали себе путь сквозь пустое пространство. Эти ученые показали, как из микроскопического хаоса могут возникать коллективные явления. Как и в случае гигантских стай скворцов, где не видны отдельные птицы, температура и давление в газе не определены в базовом микромире, однако проявляются на макроуровне благодаря силе больших чисел. Температуру можно воспринимать через среднюю кинетическую энергию молекул и то, как она изменяется вместе с энтропией. Но как насчет самой энтропии? Что это?

Энтропия – то, что учитывается³¹.

Я говорю в буквальном смысле. Как объяснил Больцман, энтропия – на самом деле подсчет микросостояний. Микросостояние похоже на итоговую перепись для какого-нибудь макроскопического объекта; оно говорит вам все, что нужно знать о расположении всех атомов и молекул, где они находятся и что делают. Когда мы рассматриваем какой-то объем газа (или яйцо, или динозавра), мы знаем, что он состоит из множества мельчайших частиц. Каждый атом находится в той или иной точке, вращается определенным образом, двигается с определенной скоростью через короткие промежутки пространства, и таких атомов миллиарды и миллиарды. При этом сами атомы состоят из строительных блоков, имеющих, разумеется, собственные свойства. Чтобы полностью описать газ, яйцо или динозавра, вы можете создать (если сошли с ума) гигантский массив данных, перечислив положение, скорость, спин³², любимый цвет, книги, музыку и любые иные характеристики для миллиардов строительных блоков в этой системе. Такой массив данных будет описывать конкретное микросостояние, предоставляя вам полную и точную информацию о рассматриваемом объекте.

Но дело вот в чем: даже если вы измените положение нескольких атомов здесь или там, никто этого не заметит. Яйцо будет выглядеть точно так же, объем газа сохранит ту же температуру, а динозавр по-прежнему останется трицератопсом, который должен был умереть 65 млн лет назад. Когда мы смотрим на крупные объекты, глупо беспокоиться обо всех мелочах. Энтропия – мера этой скрытой детальности. Она учитывает все микросостояния, которые поддерживают неизменность макроскопических свойств объекта. Со временем, когда яйцо или динозавр начинают распадаться, превращаясь в пыль, пропадает все больше их микроскопических деталей. Глядя на пыльные останки, все труднее отличить одно возможное микросостояние от другого. С тревожной неизбежностью количество микросостояний яйца или динозавра со временем увеличивается. Так растет энтропия: всегда возрастает и никогда не уменьшается.

Энтропия не обязательно связана с молекулами и атомами. Мы можем говорить об энтропии в любом контексте, пока существуют какие-то микросостояния и мы можем их подсчитать. Возьмем, например, программное обеспечение для распознавания лиц. Мой телефон признает меня, хотя я не всегда принимаю точно такое же выражение лица, как при регистрации. Он отбрасывает все лишние данные и считает множество чуть-чуть различающихся моих изображений одним и тем же объектом. Если бы вы сосчитали все изображения, то получили бы меру энтропии для моего лица.

Вот более количественный пример: в английской Премьер-лиге играют двадцать футбольных команд, которые в ходе сезона проводят с каждым из соперников по одному матчу дома и на выезде. В общей сложности получаем 20 × 19 = 380 матчей за сезон, каждый заканчивается одним из трех возможных исходов: победа дома, победа на выезде или ничья. Это означает, что существует 3380 разных вариантов футбольных сезонов. Однако многие из них приведут к одинаковой турнирной таблице, если нас интересует только количество очков, набранных чемпионами, занявшими второе место, и т. д. Мы можем думать о различных исходах как о микросостояниях и для любой итоговой таблицы подсчитать все способы, которые приводят к одному и тому же распределению очков. Это дало бы нам меру энтропии для Премьер-лиги.

Математика Премьер-лиги с двадцатью командами слишком сложна, чтобы разобраться в ней во всех подробностях, поэтому сократим число команд и представим урезанную лигу, в которой всего два соперника: «Ливерпуль» и «Манчестер Юнайтед». Ради математической простоты мы уберем все остальные команды, включая «Эвертон», «Арсенал», «Тоттенхэм Хотспур» и даже живущий на нефтяные деньги «Манчестер Сити». В сезоне такой ужатой Премьер-лиги состоятся всего две игры, а значит, возможны всего девять разных исходов. Если нас не беспокоит вопрос, кто на первом месте, а кто на втором, разные результаты матчей могут привести к одинаковой турнирной таблице. Поскольку за победу начисляется три очка, за ничью – одно, а за поражение – ноль, девять возможных исходов дадут четыре разные турнирные таблицы, как показано на следующем рисунке.

Посмотрим на таблицу A, где чемпион набирает шесть очков, а команда, занявшая второе место, не получает ни одного. Это можно реализовать двумя способами: «Ливерпуль» выиграет оба матча или проиграет оба. Иными словами, есть два разных микросостояния, которые дадут одну и ту же турнирную таблицу. Такой подсчет дает нам меру энтропии для таблицы А. Или, точнее, ее дает нам натуральный логарифм числа состояний.

Мне нужно быстренько объяснить, что такое логарифм. Логарифм числа X по основанию a (обозначается log_aX) – такое число b, что a^b = X, то есть степень, в которую нужно возвести основание, чтобы получилось X. Например, если мы возьмем основание 10, то логарифм 100 по основанию 10 равен 2, поскольку 10² = 100, и мы можем написать log₁₀100 = 2. Если в качестве основания логарифма берут число Эйлера e ≈ 2,71828, то обычно используют обозначение ln и говорят о натуральных логарифмах. Например, lne² = 2, lne³ = 3, lne^0,12 = 0,12 и т. д. Натуральные логарифмы в науке используют гораздо чаще, чем десятичные.

Больцман предложил формулу для энтропии, использующую натуральный логарифм: S = lnW, где W – количество соответствующих микросостояний или количество способов. Вернемся к сокращенной Премьер-лиге. Энтропия таблиц A и C равна ln2 ≈ 0,693, энтропия таблицы B составляет ln4 ≈ 1,386, а энтропия таблицы D равна нулю (поскольку ln1 = 0). Точно так же мы считаем состояния и энтропию, когда говорим о яйцах или динозаврах. Единственная разница заключается в используемых числах. Количество микросостояний, которые могли бы описать съеденное на завтрак яйцо (или динозавра!), крайне велико; там понадобятся гуголы, в отличие от чисел 1, 2 и 4, которые обнаружились у нас для результатов двух команд в Премьер-лиге.

Итак, у нас определена энтропия для Премьер-лиги. Как увидеть ее вероятное увеличение со временем? Это довольно легко. Представьте, что сезон закончился таблицей А и, соответственно, энтропией ln2. Что произойдет в следующем сезоне? Если отдельные исходы матчей равновероятны, то с вероятностью ⁴/₉ энтропия останется на том же уровне ln2 (это случится, если в следующем сезоне реализуется таблица A или таблица C), с вероятностью ⁴/₉ энтропия увеличится до ln4 (если после сезона получится турнирная таблица B) и с вероятностью ¹/₃ она упадет до нуля (если получится таблица D). Таким образом, даже в нашем небольшом примере энтропия с большей вероятностью будет расти, чем падать.

Когда мы изменим числа до гугольных масштабов, необходимых для учета количества атомов в яйце или динозавре, эти преобладающие вероятности станут подавляющими. Увеличение энтропии уже не просто вероятно, а неизбежно. Представьте кубик льда при комнатной температуре. Эта система описывается микросостояниями для льда и со временем будет переходить в другие возможные микросостояния. Система совершает несколько микроскопических скачков между различными состояниями, и никто не удивится, обнаружив, что в итоге появится лужа. Есть небольшие шансы, что кубик останется льдом, но они ничтожны. При комнатной температуре мы получаем небольшое количество возможных ледяных микросостояний по сравнению с большим количеством водяных, а это просто означает, что лед с большой вероятностью растает.

С помощью этих статистических игр мы также можем понять законы термодинамики, в соответствии с которыми энергия попадает в плен к энтропии, а Вселенная движется к параличу. Ведь чем больше микросостояний вы накапливаете, тем больше растворяются ваши знания о яйце, динозавре или лужице. В каком-то смысле становится все труднее добыть полезную энергию, потому что вы не знаете точно, где она находится. Это немного напоминает попытку вора украсть драгоценный камень: если тот спрятан в большом особняке с сотнями комнат, то, скорее всего, на поиски уйдет очень много времени. Если особняк достаточно велик, а вор ищет наобум, он может никогда не найти драгоценность. То же и с энтропией, которая размывает энергию, из-за чего нам становится все труднее ее украсть. Больцман понял, что если вы пустите все на самотек, то беспорядок и невежество всегда будут возрастать. Посмотрите новости и послушайте политиков, и вы быстро поймете, что австрийский физик был прав.

Работа Больцмана поистине замечательна. Он не просто небрежно прыгал от микроскопического к макроскопическому, от лилипутов Лилипутии к великанам Бробдингнега. Он построил мост на прочном математическом фундаменте и четко показал, как по нему безопасно двигаться. Разумеется, как обычно, эти идеи физика встретили сопротивление, поскольку не все были готовы принять реальность атомов и преобладание пустого пространства. Справляться с таким сопротивлением Больцман оказался не готов. Блестящий ученый имел проблемы с психикой и отличался склонностью к резким перепадам настроения, маниакальному поведению и глубокой депрессии. Все закончилось еще одной трагедией для термодинамики: Больцман повесился в Дуино (недалеко от Триеста), когда его жена и дочь плавали в заливе. Он не оставил предсмертной записки. Неизвестно, привели ли к этому отчаянному поступку профессиональные проблемы ученого. Но мы точно знаем, что годом ранее Эйнштейн опубликовал работу, оставшуюся Больцману неизвестной, которая окончательно убедила научный мир в реальности атомов и соответствовала мосту, которым австрийский физик связал микро- и макромир³³.

Но вернемся к вам и вашему двойнику. Как яйцо, динозавр или определенный объем газа, вы тоже состоите из миллиардов атомов и молекул. Невозможно точно знать, где находятся все эти атомы и что они делают. В результате не существует одной схемы, одного массива данных, который мог бы идеально описать вас – человека, читающего эту книгу в своем макроскопическом мире. Таких массивов много. Разумеется, существует масса других микросостояний, которые не имеют ничего общего с вами – человеком, читающим эту книгу. Среди них найдутся те, которые описывают вас, но читающего журнал Hello! или корову, читающую журнал Hello! или газ из молекул при заданных температуре и давлении, и даже такие, которые описывают всего лишь пустое пространство. Вы занимаете (более или менее) кубический метр пространства, и для этого объема мы могли бы вообразить бесконечное количество различных сценариев – слегка различающихся вариантов вас, коров, газов, вакуумов. Поэтому должно существовать бесконечное количество микросостояний, которые в принципе могли бы описать любой конкретный кубический метр пространства. Верно?

Нет.

Это число конечно. Если бы оно было бесконечно, ничто не мешало бы энтропии в этом кубическом метре расти и расти, от гугола к гуголплексу, к числу TREE(3) и далее. Однако что-то ее останавливает: гравитация. Клаузиус учил нас, что энтропия и энергия растут совместно, а Эйнштейн объяснил, что энергия – это масса. Если вы попытаетесь втиснуть слишком много энтропии в кубический метр пространства, гравитация почувствует массу соответствующей энергии и призовет тюремщика. Неизбежно сформируется черная дыра.

Черные дыры – это энтропийный предел. Они скрывают свои микроскопические секреты лучше, чем кто-либо и что-либо. Это безликие незнакомцы, чью ужасную историю вы никогда не узнаете и даже не сможете узнать. Когда вы смотрите на них и пытаетесь что-то измерить, черные дыры сообщают о себе лишь три параметра: массу, заряд и спин. Все остальное остается скрытым. Представьте, что в глубине своего сада вы нашли маленькую черную дыру. Как узнать, из-за чего она образовалась? Предположим, на следующий день она все еще там же, но стала тяжелее, увеличив свою массу примерно на массу слона. Можете ли вы уверенно заявить, что дыра поглотила именно слона? Возможно, это было полное собрание сочинений Шекспира, у которого масса, заряд и спин совпадают с теми же характеристиками слона? Оба сценария привели бы к той же черной дыре с теми же тремя характеристиками, так откуда нам знать, какой из двух сценариев осуществился в реальности? Откуда знать истинную историю черной дыры?

Это умение черной дыры хранить тайны намекает на ее непревзойденную способность сохранять энтропию. Существует много причин для ее появления (будь то слоны или шекспировские тексты), и все же ни одна из них не закодирована в ее макроскопических характеристиках. Все теряется в сообществе возможных микросостояний, какими бы они ни были. Для любого данного объема пространства нет ничего более энтропийного, чем черная дыра, которая располагается в точности внутри этого объема, а ее горизонт событий касается внешнего края. Но если черные дыры – это энтропийный предел, то сколько в них имеется энтропии?

Для большинства макроскопических объектов (таких как яйца, люди или динозавры) энтропия растет с увеличением объема. Например, мама-трицератопс, которая в десять раз крупнее своего детеныша по всем трем измерениям, будет обладать примерно в 1000 раз большей энтропией. Это интуитивно понятно: взрослое животное занимает объем, который в 1000 раз больше и, следовательно, вмещает в 1000 раз больше атомов. Каждый атом дает несколько новых возможностей. Например, атом может вращаться в двух направлениях, и мы получаем две возможности для каждого атома. Для сотни новых атомов у нас 2100 вариантов, для миллиона – 21 000 000 вариантов и т. д. Ясно, что количество таких вариантов, микросостояний при увеличении количества атомов растет экспоненциально. Энтропия – логарифм этой величины, она избавляет от степени, так что она должна быть пропорциональна количеству атомов. Поэтому для мамы-трицератопса энтропия в 1000 раз больше, чем для ее детеныша.

Однако трицератопс – не такой уж энтропийный объект. Мы могли бы втиснуть в то же пространство миллиард трицератопсов, порождая давку ящеров с гораздо большей энтропией, но с тем же объемом. Яйца, люди, трицератопсы – ни один из этих объектов не находится на вершине энтропийной пищевой цепи. Там находятся черные дыры, и так уж вышло, что энтропия большой и маленькой черных дыр сильно отличается от энтропии мамы-трицератопса и ее детеныша. Энтропия черной дыры растет пропорционально площади горизонта событий, а не ее объему. Это противоречит интуиции, но только потому, что мы не привыкли иметь дело с объектами, которые настолько стиснуты сокрушительными объятиями гравитации.

В начале 1970-х израильско-американский физик Яаков Бекенштейн и его британский коллега Стивен Хокинг показали, что черная дыра с горизонтом событий площадью A_H имеет энтропию, определяемую формулой

Символ l_p означает планковскую длину³⁴. Это самое маленькое расстояние в физике, имеющее смысл: около одной миллиардной от триллионной доли триллионной доли сантиметра. Эта длина соответствует масштабам, когда мы начинаем терять контроль над нашим пониманием гравитации, – здесь последняя начинает заигрывать с микромиром квантовой механики, где ткань пространства и времени становится нерезкой, размытой и, возможно, даже рвется.

Хокинг смог определить компоненты этой формулы с помощью определенных хитроумных термодинамических рассуждений, однако надлежащего микроскопического вывода этого уравнения по-прежнему не существует. А на деле нам больше всего хотелось бы взять типичную черную дыру и идентифицировать все микросостояния, соответствующие трем ее макроскопическим свойствам – массе, заряду и спину. Затем мы бы подсчитали эти микросостояния и проверили, будет ли получившаяся энтропия точно соответствовать формуле Бекенштейна и Хокинга. Никто еще не выяснил, как это сделать, – по крайней мере, для тех черных дыр, которые болтаются в центрах галактик³⁵. Решение этой проблемы остается заветной мечтой для исследователей черных дыр.

Вернемся к тому кубометру пространства, который вы занимаете, а на самом деле к любому. Сколько микросостояний потребуется, чтобы быть абсолютно уверенными, что вы знаете всю его физику? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно рассмотреть все возможные микросостояния и довести дело до энтропийного предела. Иными словами, нужно взять самую большую черную дыру, которая может поместиться внутри этого объема. Площадь горизонта событий у нее будет около квадратного метра, поэтому по формуле Бекенштейна и Хокинга³⁶ получаем энтропию, равную примерно 10⁶⁹. Это соответствует примерно микросостояниям. Вот он, предел. Это самое большое количество микросостояний, которое вам когда-либо понадобится для описания произвольного кубического метра пространства.

Будучи амбициозным гугологом³⁷, я дам этому огромному, но конечному числу собственное имя: доппельгангион. Мы определили это число на стыке двух глав – между гуголом и гуголплексом. Вполне уместно: в конце концов, доппельгангион находится где-то между этими двумя колоссами. Он сильно возносится над гуголом, но не дотягивает до гуголплекса. Чтобы в полной мере оценить его значимость, нам придется продолжить поиски вашего двойника в следующей главе, изучая вопрос, что значит «быть вами» – вплоть до субатомного уровня.

Благодаря этому энтропийному пределу я знаю сейчас, что тот кубический метр, который занимаю, когда пишу эти слова, описывается по крайней мере одним из возможных микросостояний. Это также верно и для кубометра пространства, занимаемого принцем Гарри, Меган Маркл или газообразным инопланетянином из галактики Андромеды, замышляющим межгалактическую войну. И это правда о вас. Вы лучше, чем один на гугол, но не дотягиваете до одного на гуголплекс. Для любого из нас лучший вариант – оказаться одним на доппельгангион.

Возможно, я слишком добр. Из  микросостояний найдется сразу несколько, которые могут адекватно описать вас и ваши макроскопические черты – тот же нос, те же уши, то же довольное выражение лица и т. д. Предположительно ваш двойник использует такие же состояния. Если бы мы стремились к большей точности, можно было бы попытаться немного сократить число соответствующих микросостояний. Мы могли бы спрашивать о точном состоянии отдельных атомов в вашем организме или нейронах, инициирующих мысли в вашем мозге. Все зависит от того, насколько тщательно мы хотим определить вас и заодно вашего двойника. Насколько точным должно быть совпадение, чтобы говорить о двойнике? Достаточно ли вам одинаково выглядеть или также требуется, чтобы у вас были одинаковые мысли и одинаковое расположение атомов? Однако в тот момент, когда вы начинаете измерять состояния отдельных атомов, вы попадаете в микромир, в царство квантовой механики, то есть в тему следующей главы. Поиск вашего двойника превратился в квантовый квест. Если честно, так было всегда. Вселенная – квантовый объект. Вы – квантовый объект.

Как и ваш двойник-доппельгангер.

Гуголплекс

Квантовый чародей

Вы немного перебрали, но это неважно. По вечерам в среду в вашем пабе проводят викторину, а сегодня задали вопрос об энтропии. Вы оказались единственным человеком, знавшим ответ, и поэтому сейчас вполне довольны собой. Когда вы, спотыкаясь, шагаете домой, вы видите прохожего на другой стороне улицы. Погодите. Он вроде на этой стороне. Или вообще посреди дороги? Вы не можете сказать. Что, черт возьми, происходит? Неужели вы действительно перепили?

Добро пожаловать в микромир, где каждый прохожий – чародей, где правит квантовая механика, а вы находитесь здесь, там, везде и нигде, затерявшись в вероятностном тумане. Возможно, вы удивлены, что я привел вас сюда, в самый крохотный из миров, когда наша конечная цель в том, чтобы вообразить гуголплекс – единицу, за которой следует гугол нулей, – и необъятность гуголплексианской Вселенной. Но у меня нет выбора. Если вы хотите должным образом оценить гуголплексианскую Вселенную и найти двойника, который живет в ней, вам необходимо понять квантовые законы. Они не похожи ни на что, к чему вы привыкли. Они странны и противоречат здравому смыслу. Но чтобы продолжить путешествие, нам нужно изучить новый образ жизни. Эта жизнь ниже уровня нашего обычного существования; она проходит в танце субатомных частиц, из которых состоим все мы. В танце, который делает вас вами (и вашего двойника – вами).

Квантовая механика выросла на обломках катастрофы. К концу XIX века физики открыто торжествовали. Они начали эру открытий и изобретений: электричество, магнетизм, свет, радио, атомы, молекулы и термодинамика. Их гений освещал улицы Лондона, Парижа и Нью-Йорка, приводил в движение двигатели промышленной революции и готовился изменить мир с помощью радио и телевидения. Однако не все шло гладко. В бочке меда имелась ложка дегтя, постыдный секрет, абсурд, порожденный лучшими и наиболее надежными идеями физики.

Ультрафиолетовая катастрофа.

Когда физик говорит об ультрафиолете, он просто имеет в виду то, что колеблется с очень высокой частотой. Например, вы, вероятно, слышали об ультрафиолетовом излучении. Это такое же электромагнитное излучение, как и видимый свет, но его частота больше, и мы его не видим. Ультрафиолетовая катастрофа проявилась, когда физики XIX века задумались о том, сколько энергии будет содержаться в высокочастотном излучении, поглощаемом или испускаемом определенными объектами. Вы можете ощутить эту катастрофу, не выходя из собственного дома³⁸. Предположим, у вас на кухне есть духовка с идеальной изоляцией и вы поворачиваете ручку, выставляя температуру 180℃. Вы задаетесь вопросом: сколько энергии имеется в духовке в тот момент, когда она достигнет нужной температуры? Чтобы выяснить это, загляните внутрь печи. Она кажется пустой, но вы знаете, что на самом деле это не так. Она заполнена волнами электромагнитного излучения, извивающимися, как морские змеи Максвелла из главы «1,000000000000000858». Вы замечаете, что некоторые змеи извиваются более яростно, чем другие, совершая больше колебаний между головой и хвостом. В этих колебаниях заключена энергия, и вы начинаете все это суммировать. С небольшой помощью привидения условного физика, жившего в конце Викторианской эпохи, вы можете вычислить общую энергию всех колебаний.

В ответе вы получите бесконечность.

Неудивительно, что викторианское привидение выглядит смущенным. Оно и должно смущаться – это же катастрофический ответ. Как оно могло так напортачить? Чтобы изучить происходящее, посмотрим на отдельную волну электромагнитного излучения. Мы можем представлять ее в виде пары морских змей-близнецов (электрической и магнитной), находящихся в духовке и извивающихся взад и вперед под прямым углом друг к другу, как показано на следующем рисунке.

Эта волна имеет две важные характеристики: частоту колебаний и амплитуду. Частота говорит нам, как быстро извиваются змеи, а амплитуда – величина их изгибов. Викторианское привидение рисует вам картину множества пар змей, извивающихся с одинаковой амплитудой, причем в полном диапазоне частот. Оно также сообщает вам то, что говорили ему Максвелл и Больцман: средняя энергия, хранящаяся в каждой паре змей, одинакова – она не зависит от частоты. На деле оно убеждает вас, что каждая пара несет около 6 зептоджоулей³⁹ энергии⁴⁰; это в 100 трлн раз меньше, чем 200 калорий, которые вы получите от батончика Mars. Несмотря на это крошечное число, привидение говорит вам, что полный диапазон частот на самом деле бесконечен. Поэтому в печи находится бесконечное количество извивающихся змей, они наполняют печь бесконечным количеством энергии. Такая логика приводит вас к ультрафиолетовой катастрофе и бесконечно большому счету за электроэнергию.

Но паниковать пока не нужно. Сейчас мы знаем, как избежать этой катастрофы, благодаря гениальному немецкому физику Максу Планку. Как и многие герои этой книги, он пострадал в личной жизни: нацисты казнили его сына Эрвина за участие в неудавшемся покушении Клауса фон Штауффенберга на Адольфа Гитлера.

Планк понял, что не все змеи рождаются равными⁴¹: энергия, которую они несут, должна зависеть от того, как быстро они извиваются. Если он хочет избежать ультрафиолетовой катастрофы, то самые извивающиеся змеи должны в среднем нести все меньше энергии, чтобы компенсировать тот факт, что их бесконечно много. Планк придумал, как это должно происходить в реальности. Электромагнитные волны не могут обладать произвольным количеством энергии (как предполагало наше викторианское привидение). В энергетическом спектре должны существовать пропуски, которые становятся все больше по мере увеличения частоты, что уменьшает среднее значение. Планк также заметил, что для соответствия результатам экспериментов⁴² эти промежутки должны быть очень точными. Разрешенные энергии могут появляться только четко определенными порциями (структурными элементами), и чем выше частота волны, тем больше такие порции.

Но Планк не называл их порциями. Он называл их квантами (от лат. quantum – «сколько»).

Чтобы лучше понять математику, стоящую за «порционной» идей Планка, представьте вариант «Игры в кальмара», где погрязшие в долгах участники рискуют жизнями, участвуя в детских играх в надежде получить колоссальный денежный приз. Предположим, что есть 511 игроков с разным уровнем долга.

• 1 игрок должен 8 млрд корейских вон.

• 2 игрока должны по 7 млрд вон.

• 4 игрока должны по 6 млрд вон.

• 8 игроков должны по 5 млрд вон.

• 16 игроков должны по 4 млрд вон.

• 32 игрока должны по 3 млрд вон.

• 64 игрока должны по 2 млрд вон.

• 128 игроков должны по 1 млрд вон.

• 256 игроков не имеют долгов.

В начале соревнования средний долг всех игроков составляет чуть меньше миллиарда вон (точнее, 982 387 476 вон). К концу первой игры жестко «устранили» всех, кто должен 1 млрд вон, 3 млрд вон, 5 млрд вон или 7 млрд вон. Игроков стало меньше, и их общая задолженность значительно сократилась: средний долг оставшихся снизился примерно до 657 млн вон на каждого. Пусть к концу второй игры выбывают задолжавшие 2 млрд вон и 6 млрд вон. Средний долг остальных игроков в этот момент составляет всего 264 млн вон на каждого. После каждой очередной игры участники выбывают, и в «спектре» долгов появляются всё большие пробелы, что снижает средний показатель задолженности.

Планк понял, что нечто подобное должно происходить и с волнами в вашей духовке. Когда вы проводите перепись энергии для волн определенной частоты, то обнаруживаете, что эти колебания поглощают энергию только порциями определенного размера. При этом для более высоких частот эти порции увеличиваются, а средняя энергия резко падает.

Планк вычислил, что для соответствия экспериментальным данным волны с частотой ω должны иметь энергии, кратные величине ħω, где ħ – очень маленькое число, так называемая постоянная Планка, меньше одной миллиардной от триллионной доли триллионной доли привычных единиц⁴³. Как мы вскоре увидим, малость величины ħ и становится причиной того, что квантовый мир оставался скрытым от нас так долго.

В каком-то смысле очень странно, что у волн есть такая смирительная рубашка: законы природы вынуждают их выбирать определенный набор энергий в зависимости от их частоты. Например, по этим правилам волны с частотой 1033 герц могут иметь энергию только из целого числа джоулей: 1 джоуль, 2 джоуля, 3 джоуля и т. д., а другое количество энергии запрещено. Возникает вопрос: что произойдет, если я попробую скормить одной из этих волн половинку джоуля? Разве это не выведет волну за пределы допустимого диапазона и не вызовет революцию? Да, так бы и случилось, и поэтому волна просто откажется от еды! Она безмерно уважает закон, и базовые порции энергии (кванты) всегда останутся незыблемыми.

Эти порции ħω используют в качестве валюты постоянную Планка – примерно так же, как корейская вона присутствует в качестве валюты в «Игре в кальмара». Поскольку постоянная Планка очень мала (относительно наших повседневных единиц), нам потребовалось крайне много времени, чтобы вообще заметить существование таких порций. То же происходит и с деньгами: если вы торгуете исключительно товарами, которые стоят миллиарды вон, то не заметите разницу в одну вону. Сначала Планк рассматривал эти порции энергии и свою валюту как математическую диковину. Но оказалось, что его математические заклинания распахнули портал и обнаружили глубокие истины, касающиеся физического мира, как это случилось полвека назад с Максвеллом, изучавшим математику электричества и магнетизма. И все же Альберту Эйнштейну потребовалось мужество, чтобы пробраться через эту теорию и рассказать миру о том, что открыл Планк.

Чтобы правильно оценить его труды, нужно рассказать о небольшом эксперименте, в котором вы направляете луч ультрафиолета на цинковую пластину и металл начинает испускать электроны. В этом нет ничего особо странного. Ультрафиолетовый свет способен творить ужасные вещи, и я могу удостовериться в этом каждый раз, когда забываю нанести солнцезащитный крем. Странность в этом эксперименте заключается в том, что происходит, когда вы увеличиваете интенсивность света. Возможно, вы ожидаете, что электроны будут вылетать с большей скоростью, потому что в луче теперь больше энергии. Но этого не происходит. Да, вы получите больше электронов, однако скорость их вылета останется прежней. Единственный способ получить более быстрые электроны – увеличить частоту излучения. Например, рентгеновские лучи обладают более высокой частотой, чем ультрафиолетовые. Поэтому рентгеновский луч будет порождать более быстрые электроны, чем ультрафиолетовый, даже если использовать менее интенсивное рентгеновское излучение. Верно и обратное: если вы уменьшите частоту луча, электроны замедлятся, а если уменьшите до определенного предела, то они вообще перестанут испускаться. Например, если светить на цинковую пластинку видимым светом, электроны не появляются, потому что частота излучения слишком мала.

Это явление получило название фотоэффекта, и Эйнштейн дал объяснение необычным результатам, наблюдаемым в экспериментах. Шел 1905 год – его annus mirabilis, год чудес. Хотя в том же году ученый изложил специальную теорию относительности, он всегда считал свою работу, посвященную фотоэффекту, более революционной, бунтарской, противоречащей устоявшимся представлениям⁴⁴. Мы можем понять суть этого бунта с помощью еще одной аналогии, пусть и алкогольной. Представьте, что вы в переполненном водочном баре, где сидит гугол посетителей, желающих выпить и ожидающих, пока их обслужат. Сейчас они трезвые, но после полулитра водки будут считаться пьяными и вышибалы вышвырнут их на улицу, где за развитием событий наблюдает Эйнштейн. В бар привозят водку – несколько тысяч миниатюрных бутылочек по 50 миллилитров. Посетители бара эгоистичны и друг с другом не делятся. Бармены распределяют бутылочки случайным образом, и из-за огромного количества клиентов большинство из них останется ни с чем. Некоторые посетители получат одну бутылочку, но маловероятно, что кому-то посчастливится добыть больше одной. В результате в баре не окажется ни одного человека, которому хватит водки, чтобы дойти до пьяного состояния, поэтому вышибалы никого не выставят за дверь. На следующий день в бар поступает миллиард 50-миллилитровых бутылочек, но ничто принципиально не меняется – все равно никто не получит достаточно водки, чтобы напиться и оказаться вышвырнутым на улицу. На третий день водочная компания решает повысить ставки. Она отказывается от миниатюрных сосудов и вместо них привозит в бар литровые бутылки. Этих бутылок несколько тысяч, и бармены снова распределяют их случайным образом. Через некоторое время Эйнштейн наконец замечает выставленных из бара людей. Они пьяны, и все без исключения держат в руке по литровой бутылке водки, наполовину опорожненной. На четвертый день компания снова использует литровые бутылки, но теперь их миллион. Эйнштейн видит, как на улицу вышвыривают гораздо больше пьяных, но каждый по-прежнему держит бутылку водки, опорожненную ровно наполовину.

Какое отношение к фотоэффекту имеют все эти жизненные радости? Эйнштейн осознал, что если свет делится на порции, как предположил Планк, то фотоэффект можно было бы легко объяснить с помощью нашей алкогольной аналогии. Вы можете считать бар металлической пластиной, посетителей – электронами, а доставку водки – лучом ультрафиолета. Если Планк прав, то свет обязательно доставляет энергию порциями определенного размера в зависимости от их частоты – точно так же, как водка всегда поставляется в 50-миллилитровых или литровых бутылках. Всякий раз, когда порция энергии попадает на цинковую пластину, 700 зептоджоулей уходят на то, чтобы выбить электрон, а весь остаток энергии идет на его ускорение. Поскольку размер порций фиксирован, остаток всегда одинаков, и поэтому электроны всегда летят с одинаковой скоростью. Если вы увеличите интенсивность луча, это принципиально ничего не изменит, а значит, на пластинку падает больше порций энергии, поэтому они выбивают больше электронов, но все эти частицы летят с той же скоростью, что и раньше. То же происходит и с водкой. Когда в бар привезли литровые бутылки, их количество уже не имело особого значения. Важно лишь то, что объема бутылки достаточно, чтобы перешагнуть полулитровый порог опьянения, и посетителя, добравшегося до этого порога, гарантированно вышвырнут за дверь с оставшейся половиной литра. Также становится понятно, почему электроны остаются на месте, когда на цинковую пластину падает видимый свет. Рассмотрим, например, синий свет: его кванты имеют энергию примерно 400 зептоджоулей, а этого недостаточно, чтобы выбить электрон.

Фотоэффект доказал, что свет состоит из частиц. Эти частицы (кванты видимого света) получили название фотонов. Фотонам предписано переносить строго определенное количество энергии. Они подобны муравью-рабочему, которому поручено нести конкретный лист конкретного размера. Это вызвало огромное беспокойство. Уже более ста лет, после новаторских экспериментов британского ученого-энциклопедиста Томаса Юнга, свет считали волной, а тут внезапно обнаружилось, что он ведет себя как поток частиц. Это все равно, как если бы вы однажды утром проснулись и услышали, что Грета Тунберг поддержала Дональда Трампа. О таком вы даже подумать не могли.

Юнг установил волновую природу света в классическом эксперименте. Он взял темный экран и прорезал в нем две щели очень близко друг к другу, а за ним поставил второй экран. Когда ученый направил луч света на первый экран, он обнаружил изображение на втором. Если свет – поток частиц, то на экране должна появиться непрерывная полоса света с максимальной интенсивностью посередине, непосредственно за двумя щелями. Здесь вы можете провести аналогию с градом пуль, выпущенных без разбора в сторону экрана. Проходя через узкие промежутки, они будут отклоняться и чаще попадать в середину экрана, чем в его края. Стоять в центре хуже всего, поскольку пули попадают с обоих направлений, – в отличие, скажем, от правого края, где вам будут угрожать только пули, прошедшие через правую щель. Однако в своем эксперименте Юнг не обнаружил такой «пулевой» картинки. Он увидел ряд светлых и темных полос, которые напоминали штрихкод на товарах из супермаркета.

Двухщелевой эксперимент Юнга

Такая картина соответствует прохождению света одновременно через обе щели, подобно приливной волне, прорывающейся частями через смежные двери в прибрежной гостинице, а затем соединяющейся с собой с другой стороны. Темные полосы – это места, где гребень одной волны накладывается на впадину другой; при таком наложении волны ослабляются: результирующая амплитуда уменьшается. А вот светлые полосы – места, где волны складываются «созидательно», гребень с гребнем, в результате амплитуда их увеличивается и яркость экрана повышается. Появившаяся в эксперименте Юнга картина полос безошибочно указывала на то, что свет ведет себя как волна, а не как частица.

Но теперь фотоэффект, казалось, утверждал прямо противоположное.

Итак, что такое свет? Волна или частица?

Правда в том, что свет подобен идеальному театральному актеру. Он может менять свой костюм в зависимости от шоу. Когда продюсером становится Томас Юнг и на сцене ставится двухщелевой эксперимент, свет будет танцевать как волна. Когда постановкой шоу занимается фотоэлектрическая компания, свет будет танцевать как частица.

Возможно, вам кажется, что можно объяснить ситуацию, сказав, что фотоны – это частицы, а волнообразное поведение света – всего лишь макроскопический эффект, результат их собирания в «большие стаи». Ведь волны в реальности состоят из множества крохотных молекул воды, так что, возможно, когда у вас есть достаточно большая компания фотонов, они сговариваются вести себя подобно волне. В реальности компания фотонов – очень хороший способ представить себе обычный луч света. Но дело вот в чем: эксперимент Юнга приводит к тем же результатам, даже если вы снижаете интенсивность луча до совсем малого уровня – испускаете по фотону за раз. Каждый фотон попадает на экран в случайной точке, однако в конце концов все равно начинает появляться картинка штрихкода. Когда на сцене театра ставится двухщелевой эксперимент, даже одиночный фотон начинает танцевать, как волна. Это один из моих любимых фактов во всей физике: одиночная частица света действует как волна, почти как если бы она проходила через обе щели одновременно. Это абсолютный взрыв мозга. Это не имеет права быть правдой. Но это правда!

От этого факта никуда не деться: одиночный фотон может вести себя и как частица, и как волна, в зависимости от настроения. А как насчет того, что мы обычно считаем частицами, например электронов и протонов? Не могут ли они тоже быть волнами? Конечно, могут. Свет – не единственный актер на сцене; оказывается, материя более чем способна устроить точно такое же шоу. Когда два американских физика Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер пропустили электроны через пару щелей, те нарисовали картинку штрихкода на экране сзади, как и положено каждой уважающей себя волне.

К 1927 году, когда Дэвиссон и Джермер завершили свои эксперименты, эти результаты уже с нетерпением ожидали. Сцену подготовил более десяти лет назад самый знаменитый физик Новой Зеландии Эрнест Резерфорд, или, если называть его полным титулом, 1-й барон Резерфорд Нельсонский, кавалер Ордена Заслуг. Как следует из титула, Резерфорд был важным человеком – лауреатом Нобелевской премии и отцом ядерной физики. Еще до Первой мировой войны ученый провел эксперименты, которые установили, что атомы напоминают миниатюрную солнечную систему: электроны вращаются вокруг плотного центра, названного ядром. Широкое облако электронов несло отрицательный заряд, а ядро оказалось заряжено положительно. Наличие зарядов означало, что в динамике атомной Солнечной системы доминируют электромагнитные силы. Однако для Макса Планка модель Резерфорда не имела смысла: если электроны двигаются по орбите, то у них есть ускорение, а поэтому – согласно теории Максвелла – они должны излучать энергию и почти мгновенно обрушиваться на ядро. В результате атом должен превращаться в скучный нейтральный комочек. Реальные же атомы не имеют права на существование.