Sean Carroll

The Biggest Deas In The Universe. Space, Time, And Motion

© 2022 by Sean Carroll

© Перевод на русский язык ООО «Прогресс книга», 2024

© Издание на русском языке, оформление ООО «Прогресс книга», 2024

© Серия «New Science», 2024

© ООО Издательство «Питер», 2024

Посвящается Дженнифер

От издательства

Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу comp@piter.com (издательство «Питер», компьютерная редакция).

Мы будем рады узнать ваше мнение!

На веб-сайте издательства www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгах.

Введение

Я бы хотел жить в мире, где большинство людей с интересом и страстью относятся к физике, где, отдыхая в баре после работы, обсуждают проблемы темной материи и дискутируют о взглядах на квантовую механику. Я бы хотел оказаться на детском празднике, где, пока малыши играют в пятнашки, а родители увлеченно общаются друг с другом, от кого-то из взрослых можно услышать, к примеру: «Не понимаю я тех, кто ждет открытия новых частиц в электрослабом диапазоне» и тут же в ответ: «А как же тогда решать проблему иерархии?» В нашем мире есть много людей, осведомленных об экономике предложения или критической расовой теории, но мало таких, кто знаком с инфляционной космологией и теорией суперструн.

В чем же причина? Увы, нужно признать, что даже на фоне других научных дисциплин физика выделяется тем, что придумана специалистами для специалистов. Физики говорят друг с другом на очень специфичном языке, в котором изобилуют термины из области математики, не только непонятные, но и неизвестные обычным людям. Тому есть разумные объяснения, и все же ситуацию можно изменить. Ведь все дело в том, как физики передают свои знания миру.

Если вы не специалист, но изучить современную физику вам интересно, то перед вами лежат два пути. Один из них – не выходить за пределы общедоступного уровня, то есть знакомиться с научными концепциями, не углубляясь в технические или математические детали. Для этого можно читать книги, ходить на лекции, смотреть видеоролики, слушать подкасты. Такие ресурсы сегодня доступны и многочисленны, позволяют узнать много нового, хотя и несколько бессистемно. Так можно продвинуться очень далеко. И все же со временем вы поймете, что в этом потоке материала, образах и метафорах, переводе математических формул на человеческий язык не хватает чего-то реального, жизненно важного.

Другой путь – начать учиться на физика: пойти в институт или заняться самообучением по «правильным» учебникам и интернет-ресурсам. Сначала вам предстоит освоить высшую математику, в первую очередь изучить дифференциальное исчисление, научиться решать дифференциальные уравнения, разобраться в векторном анализе, комплексных числах, линейной алгебре и многом другом. До разговора о квантовой механике или теории относительности понадобится не меньше года предварительных занятий. Большинство студентов получают степень бакалавра или магистра, ничего не узнав о физике частиц, черных дырах и космологии. Эти области знаний доступны лишь тем, кто работает в определенных, достаточно узких проблемных областях.

Пропасть между физиком-любителем, в багаже знаний которого только метафоры и мутные переводы на человеческий язык, и специалистом, способным работать с уравнениями пугающей сложности, велика, но преодолима. Большинство людей водят машины, не помышляя о карьере профессионального гонщика. А значит, есть путь, двигаясь по которому можно приблизиться к подлинной сути современной физики без многолетнего обучения по стандартной программе, пусть и освоив несколько формул.

Путеводная карта у вас в руках!

В основу серии «Величайшие идеи Вселенной» положена мысль о том, что каждый человек, даже любитель, не стремящийся стать профессионалом, способен изучать современную физику по-настоящему, по формулам и уравнениям. Для этого хватит знаний, не выходящих за рамки школьного курса математики. Необходимо лишь думать над формулами, стремиться понять их смысл. И перед тем, кто готов это делать, откроется новый мир.

* * *

Поговорим об уравнениях. На самом деле в них нет ничего страшного: это просто компактная запись соотношений между величинами. Сравните: вам могут сказать, что согласно общей теории относительности Эйнштейна «масса и энергия приводят к искривлению пространства-времени». Уравнение Эйнштейна выражает ту же мысль, но другим способом:

Предложение на русском языке дает лишь некое представление о том, что утверждает общая теория относительности. Уравнение показывает, что происходит на самом деле, точно и недвусмысленно. Можно прочесть множество предложений и описаний, но чтобы по-настоящему проникнуться идеей великого физика, нужно понять эту формулу.

Какая-то тарабарщина, скажете вы. Действительно, чтобы во всем разобраться, нужно начать с отдельных цифр и букв, в том числе, внезапно, греческих μ и ν, усвоить, что означает, зачем нужна каждая из них. Обычно изучающие физику студенты тратят на это несколько лет. Вам будет нужно всего лишь прочесть мою книгу.

Тем, кто дойдет до восьмой главы, станет ясно, что означают символы из уравнения Эйнштейна, чем они связаны друг с другом и что говорят о пространстве-времени и гравитации. Смысл формулы, даже полностью состоящей из греческих букв, понять много проще, чем настоящий текст на греческом языке.

Авторы большинства популярных книг думают, что читателям будет неинтересно рассматривать уравнения. В учебниках же, напротив, предполагается, что студенты должны не просто рассматривать, а решать уравнения, то есть прилагать в процессе обучения значительно больше усилий, гораздо лучше готовиться к курсу, чем нужно просто для понимания формул.

Я бы хотел подчеркнуть разницу между решением и пониманием: ведь именно она – ключ к быстрому и успешному усвоению мыслей из этой книги. Формула Эйнштейна не просто связывает какие-то конкретные массу и энергию с кривизной какого-то конкретного пространства-времени. Она представляет собой общее правило, контракт вроде «если мне дадут набор из массы и энергии, то я покажу, как они искривляют пространство-время». Выполнить такой контракт и есть «решение уравнения».

Иногда решить уравнение просто. Например, если в случае x = y² нам скажут, что y = 2, решением будет x = 4. Ничего сложного. Однако в реальном мире перед физиками стоят гораздо более трудные задачи, работа над которыми требует применения вычислительной математики (математики непрерывных изменений) и других современных методик. Решение подобных уравнений может занять все рабочее время профессионального физика. Так что не удивительно, что большая часть курса их обучения посвящена именно решению уравнений.

Любой физик скажет вам, что самым сложным в студенческие годы были не лекции, а задачи, которые задавались в огромных количествах, без какой-либо жалости к тем, кто хотел проводить выходные несколько иначе.

Здесь, в этой книге, вам не придется решать уравнения. Но вы научитесь их понимать, что значительно проще. В итоге вы уясните смысл даже довольно сложных, по меркам учебников, формул. Вы согласитесь с тем, что идеи современной физики – в их истинном, а не размытом метафорами смысле – могут быть доступны всем, кто готов немного подумать над уравнениями и тем, что за ними стоит. Вера в такую возможность – фундамент, на котором и строится эта книга.

* * *

Так о каких же идеях пойдет речь? Как можно догадаться, их много. Настолько, что мне пришлось разделить текст на три книги: «Пространство, время и движение», «Кванты и поля» и «Сложность и синергичность». Трилогия – этот формат популярен еще со времен «Властелина колец».

В книге, которую вы держите в руках – «Пространство, время и движение», – я расскажу о классических законах, открытых еще Ньютоном и не терявших актуальности до самой квантовой революции двадцатого века. Не столько о блоках и наклонных плоскостях, как бы ни были важны эти термины, сколько о сложных вопросах природы пространства, изменений и времени. Не побоявшись разбавить формулы рядом идей из области философии, мы перейдем к теории относительности: предложенным Эйнштейном концепциям искривленного пространства-времени, а также последствиям искривления, например черным дырам. Таким образом, мы начнем с идей многовековой давности, а закончим современным подходом к физике.

В книге «Кванты и поля» мы обсудим несколько вкусных идей из квантовой физики, среди которых – кот Шредингера и запутанность. Однако по большей части мы будем говорить о квантовой теории поля и физике частиц, которые на данный момент лучше всего объясняют фундаментальные законы природы. В последней книге – «Сложность и синергичность» – мы признаем, что мир состоит не только из двух или трех частей, а также увидим, сколько всего интересного происходит, когда движущихся тел много.

В итоге мы рассмотрим множество концепций, практически все из которых относятся к физике и родственным ей наукам. Это не означает, что в других научных областях (в гуманитарных дисциплинах и даже в искусстве) нет столь же важных и масштабных идей. Нам просто нужно где-то провести черту.

Еще одна черта, которую мы проведем, пройдет по границе между «в достаточной мере проверенными идеями» и «многообещающими гипотезами». На первых строятся учебники физики, вторые – к радости читателей – в большом количестве представлены в популярной литературе. Предположения и гипотезы очень важны, ведь большая часть работы исследователя – поиск новых знаний на грани уже изученного, расширение этих границ. Но все-таки наша цель – рассказ о концепциях, которые будут с высокой вероятностью актуальны и через столетие.

* * *

Я с удовольствием выражаю признательность всем, кто помогал мне на этом пути. Скотт Ааронсон (Scott Aaronson), Джастин Кларк-Дуэйн (Justin Clarke-Doane) и Мэтт Штресслер (Matt Strassler) прислали мне ценные отзывы, благодаря которым в тексте стало меньше шероховатостей. Джейсон Торчински (Jason Torchinsky) нарисовал прекрасные иллюстрации. Мой редактор, Стивен Морроу (Stephen Morrow), как всегда, давал мне советы, а мой агент, Катинка Мэтсон (Katinka Matson), помогла придать непростому проекту четкую форму. Важную роль в написании книги сыграли Элис Далримпл (Alice Dalrymple), Тиффани Эстрейчер (Tiffany Estreicher), Дора Мак (Dora Mak), Накиша Уорнер (Nakeesha Warner) и Мелани Муто (Malanie Muto). И конечно, я не могу не сказать большое спасибо Дженнифер Оуэллетт (Jennifer Ouellette) за ценные советы, моральную поддержку и многое другое.

Во время пандемии COVID-19 я смотрел онлайн-уроки драматургии, которые проводила моя подруга Лорен Гундерсон (Lauren Gunderson). Вдохновленный полученными знаниями, я снял серию видеороликов, которые и легли в основу книг этой серии. Эти видеоролики, а также другие дополнительные материалы можно найти, перейдя по ссылке:

https://preposterousuniverse.com/biggestideas/