A Brief History of Time The Updated and Expanded T

Stephen Hawking
Краткая история времени: обновленное и расширенное юбилейное издание к десятой годовщине.

Стивен Хокинг
ПРЕДИСЛОВИЕ

Я не писал предисловия к оригинальному изданию «Краткой истории времени». Это сделал Карл Саган. Вместо этого я написал короткую статью под названием «Благодарности», в которой мне посоветовали поблагодарить всех. Однако некоторые из фондов, которые оказали мне поддержку, были не слишком рады, что их упомянули, поскольку это привело к значительному увеличению числа заявок.
Я не думаю, что кто-либо, мои издатели, мой агент или я сам, ожидали, что книга будет иметь такой успех. Она была в списке бестселлеров London Sunday Times в течение 237 недель, дольше, чем любая другая книга (очевидно, Библия и Шекспир не считаются). Она была переведена примерно на сорок языков и была продана примерно на один экземпляр на каждые 750 мужчин, женщин и детей в мире. Как заметил Натан Мирволд из Microsoft (мой бывший постдокторант): Я продал больше книг по физике, чем Мадонна о сексе.
Успех «Краткой истории» свидетельствует о широком интересе к таким важным вопросам, как: «Откуда мы произошли?» и «Почему Вселенная такая, какая она есть?»
Я воспользовался возможностью обновить книгу и включить новые теоретические и наблюдательные результаты, полученные с момента первой публикации книги (в День смеха 1988 года). Я включил новую главу о червоточинах и путешествиях во времени. Общая теория относительности Эйнштейна, кажется, предлагает возможность того, что мы могли бы создавать и поддерживать червоточины, маленькие трубки, которые соединяют различные области пространства-времени. Если это так, мы могли бы использовать их для быстрого путешествия по галактике или путешествия назад во времени. Конечно, мы не видели никого из будущего (или видели?), но я обсуждаю возможное объяснение этого.
Я также описываю прогресс, достигнутый в последнее время в поиске «дуальностей» или соответствий между, по-видимому, разными теориями физики. Эти соответствия являются сильным указанием на то, что существует полная единая теория физики, но они также предполагают, что может оказаться невозможным выразить эту теорию в одной фундаментальной формулировке. Вместо этого нам, возможно, придется использовать различные отражения базовой теории в разных ситуациях. Это может быть похоже на то, что мы не можем представить поверхность Земли на одной карте и вынуждены использовать разные карты в разных регионах. Это было бы революцией в нашем взгляде на объединение законов науки, но это не изменило бы самого важного момента: что Вселенная управляется набором рациональных законов, которые мы можем открыть и понять.
Что касается наблюдений, то самым важным достижением стало измерение флуктуаций в космическом микроволновом фоновом излучении с помощью спутника COBE (Cosmic Background Explorer) и других совместных работ. Эти флуктуации являются отпечатками творения, крошечными первоначальными неровностями в гладкой и однородной ранней Вселенной, которые позже превратились в галактики, звезды и все структуры, которые мы видим вокруг нас. Их форма согласуется с предсказаниями предложения о том, что Вселенная не имеет границ или краев в мнимом направлении времени; но потребуются дальнейшие наблюдения, чтобы отличить это предложение от других возможных объяснений флуктуаций в фоновом излучении. Однако в течение нескольких лет мы должны узнать, можем ли мы верить, что живем во Вселенной, которая полностью самодостаточна и не имеет начала или конца.
Стивен Хокинг

ГЛАВА 1
НАША КАРТИНА ВСЕЛЕННОЙ
======================
Известный учёный (некоторые говорят, что это был Бертран Рассел) однажды читал публичную лекцию по астрономии. Он описал, как Земля вращается вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, вращается вокруг центра огромного скопления звёзд, называемого нашей галактикой. В конце лекции пожилая женщина в задней части зала встала и сказала: «Всё, что вы нам рассказали, — чушь. Мир — это на самом деле плоская тарелка, опирающаяся на спину гигантской черепахи». Учёный с презрением улыбнулся и ответил: «На чём стоит черепаха?» «Вы очень умны, молодой человек, очень умны, — сказала пожилая женщина. — Но там одни черепахи!»
Большинство людей сочли бы картину нашей Вселенной как бесконечной башни из черепах довольно нелепой, но почему мы думаем, что знаем лучше? Что мы знаем о Вселенной и как мы это знаем? Откуда взялась Вселенная и куда она движется? Была ли у Вселенной начало, и если да, то что произошло до этого? Какова природа времени? Закончится ли оно когда-нибудь? Можем ли мы вернуться в прошлое? Недавние прорывы в физике, ставшие возможными отчасти благодаря фантастическим новым технологиям, предлагают ответы на некоторые из этих давних вопросов. Когда-нибудь эти ответы могут показаться нам такими же очевидными, как Земля, вращающаяся вокруг Солнца, — или, возможно, такими же нелепыми, как башня из черепах. Только время (каким бы оно ни было) покажет.
Ещё в 340 году до нашей эры греческий философ Аристотель в своей книге «О небесах» привёл два веских аргумента в пользу того, что Земля — это круглая сфера, а не плоская плита. Во-первых, он понял, что лунные затмения вызваны тем, что Земля находится между Солнцем и Луной. Тень Земли на Луне всегда круглая, что было бы верно только в том случае, если бы Земля была сферической. Если бы Земля была плоским диском, тень была бы вытянутой и эллиптической, если только затмение не происходило бы всегда в тот момент, когда Солнце находилось бы прямо под центром диска. Во-вторых, греки из своих путешествий знали, что Полярная звезда кажется ниже на небе при наблюдении с юга, чем в более северных регионах. (Поскольку Полярная звезда находится над Северным полюсом, она кажется расположенной прямо над наблюдателем на Северном полюсе, но для того, кто смотрит с экватора, она кажется расположенной прямо на горизонте. Исходя из разницы в видимом положении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель даже привел оценку, согласно которой расстояние вокруг Земли составляет 400 000 стадий. Точная длина стадиона неизвестна, но она могла составлять около 200 ярдов, что делает оценку Аристотеля примерно вдвое больше общепринятой цифры. У греков был даже третий аргумент, что Земля должна быть круглой, иначе почему сначала видны паруса корабля, появляющегося на горизонте, а только потом — его корпус?)
Аристотель считал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды движутся по круговым орбитам вокруг Земли. Он придерживался этого мнения, поскольку по мистическим причинам считал Землю центром Вселенной, а круговое движение — наиболее совершенным. Эта идея была разработана Птолемеем во II веке н.э. в полную космологическую модель. Земля находилась в центре, окруженная восемью сферами, на которых располагались Луна, Солнце, звезды и пять известных в то время планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Сами планеты двигались по меньшим кругам, прикрепленным к их соответствующим сферам, чтобы объяснить их довольно сложные наблюдаемые траектории на небе. На самой внешней сфере находились так называемые неподвижные звезды, которые всегда остаются в одних и тех же положениях относительно друг друга, но вращаются вместе по небу. Что находилось за последней сферой, так и не было до конца ясно, но это, безусловно, не было частью наблюдаемой человечеством Вселенной.
Модель Птолемея обеспечивала достаточно точную систему для предсказания положений небесных тел на небе. Но для того, чтобы правильно предсказать эти положения, Птолемею пришлось предположить, что Луна движется по траектории, которая иногда приближает ее к Земле вдвое ближе, чем в другое время. А это означало, что Луна иногда должна казаться вдвое больше, чем в другое время! Он признавал этот недостаток, но тем не менее его модель в целом, хотя и не повсеместно, была принята. Христианская церковь приняла её как картину Вселенной, соответствующую Священному Писанию, поскольку она имела то большое преимущество, что оставляла много места за пределами сферы неподвижных звёзд для рая и ада.
Что касается Кеплера, эллиптические орбиты были всего лишь произвольной гипотезой, причем довольно отвратительной, поскольку эллипсы явно менее совершенны, чем окружности. Обнаружив почти случайно, что эллиптические орбиты хорошо соответствуют наблюдениям, он не мог согласовать их со своей идеей о том, что планеты вращаются вокруг Солнца под действием магнитных сил. Объяснение было дано лишь гораздо позже, в 1687 году, когда сэр Исаак Ньютон опубликовал свою работу «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica», вероятно, самое важное произведение, когда-либо опубликованное в физических науках. В ней Ньютон не только выдвинул теорию движения тел в пространстве и времени, но и разработал сложную математику, необходимую для анализа этих движений. Кроме того, Ньютон постулировал закон всемирного тяготения, согласно которому каждое тело во Вселенной притягивается к каждому другому телу силой, которая тем сильнее, чем массивнее тела и чем ближе они друг к другу. Именно эта сила заставляла объекты падать на землю. (История о том, что Ньютона вдохновило падение яблока ему на голову, почти наверняка апокрифична. Сам Ньютон лишь говорил, что идея гравитации пришла к нему, когда он сидел «в созерцательном настроении», и «была вызвана падением яблока»). Ньютон продолжил, показав, что, согласно его закону, гравитация заставляет Луну двигаться по эллиптической орбите вокруг Земли, а Землю и планеты — по эллиптической траектории вокруг Солнца.
Коперниканская модель отказалась от небесных сфер Птолемея, а вместе с ними и от идеи о существовании естественных границ Вселенной. Поскольку «неподвижные звезды», по-видимому, не меняют своего положения, за исключением вращения по небу, вызванного вращением Земли вокруг своей оси, стало естественным предположить, что неподвижные звезды — это объекты, подобные нашему Солнцу, но находящиеся гораздо дальше.
Ньютон понял, что, согласно его теории гравитации, звёзды должны притягиваться друг к другу, поэтому казалось, что они не могут оставаться практически неподвижными. Разве они все не упадут вместе в какой-то момент? В письме 1691 года к Ричарду Бентли, другому ведущему мыслителю своего времени, Ньютон утверждал, что это действительно произошло бы, если бы существовало лишь конечное число звёзд, распределённых по конечному участку пространства. Но он рассуждал так: если же, с другой стороны, существовало бы бесконечное число звёзд, распределённых более или менее равномерно по бесконечному пространству, этого бы не произошло, потому что не было бы никакой центральной точки, куда они могли бы упасть.
Этот аргумент — пример ловушек, с которыми можно столкнуться, рассуждая о бесконечности. В бесконечной Вселенной каждую точку можно считать центром, потому что по обе стороны от каждой точки находится бесконечное количество звёзд. Правильный подход, как стало ясно гораздо позже, заключается в рассмотрении конечной ситуации, в которой все звёзды падают друг на друга, а затем в вопросе о том, как изменится ситуация, если добавить больше звёзд, приблизительно равномерно распределённых за пределами этой области. Согласно закону Ньютона, дополнительные звёзды в среднем никак не повлияют на исходные, поэтому звёзды будут падать с той же скоростью. Мы можем добавить сколько угодно звёзд, но они всё равно всегда будут коллапсировать сами на себя. Теперь мы знаем, что невозможно создать бесконечную статическую модель Вселенной, в которой гравитация всегда является притягивающей.
Интересно отметить, что до XX века в обществе царил общий менталитет, и никто не предполагал, что Вселенная расширяется или сжимается. В целом считалось, что либо Вселенная существовала вечно в неизменном состоянии, либо была создана в конечное время в прошлом, примерно в том виде, в каком мы её наблюдаем сегодня. Отчасти это могло быть связано со склонностью людей верить в вечные истины, а также с утешением, которое они находили в мысли, что, даже если они стареют и умирают, Вселенная вечна и неизменна.
Даже те, кто понимал, что теория гравитации Ньютона показывает, что Вселенная не может быть статичной, не стали предполагать, что она может расширяться. Вместо этого они попытались модифицировать теорию, сделав гравитационную силу отталкивающей на очень больших расстояниях. Это не оказало существенного влияния на их предсказания движения планет, но позволило бесконечному распределению звезд оставаться в равновесии — при этом силы притяжения между близлежащими звездами уравновешивались силами отталкивания со стороны более удаленных звезд. Однако сейчас мы считаем, что такое равновесие было бы неустойчивым: если звезды в какой-либо области лишь немного сблизятся, силы притяжения между ними станут сильнее и будут преобладать над силами отталкивания, так что звезды будут продолжать двигаться навстречу друг другу. С другой стороны, если звезды немного отдалятся друг от друга, силы отталкивания будут преобладать и будут отталкивать их еще дальше друг от друга.
Еще одно возражение против теории бесконечной статической Вселенной обычно приписывают немецкому философу Генриху Ольберсу, который писал об этой теории в 1823 году. На самом деле, различные современники Ньютона поднимали эту проблему, и статья Ольберса даже не была первой, содержащей правдоподобные аргументы против нее. Однако она была первой, получившей широкое признание. Трудность заключается в том, что в бесконечной статической Вселенной почти каждая линия зрения заканчивалась бы на поверхности звезды. Таким образом, можно было бы ожидать, что все небо будет таким же ярким, как Солнце, даже ночью. Контраргумент Ольберса заключался в том, что свет от далеких звезд будет тускнеть из-за поглощения промежуточным веществом. Однако, если это произойдет, промежуточное вещество в конечном итоге нагреется до такой степени, что начнет светиться так же ярко, как звезды. Единственный способ избежать вывода о том, что все ночное небо должно быть таким же ярким, как поверхность Солнца, — это предположить, что звезды светили не вечно, а загорелись в какой-то конечный момент времени в прошлом. В таком случае поглощающее вещество могло еще не нагреться, или свет от далеких звезд мог еще не достичь нас. И это приводит нас к вопросу о том, что могло вообще заставить звезды включиться.
Вопрос о начале Вселенной, конечно же, обсуждался задолго до этого. Согласно ряду ранних космологических теорий и еврейско-христианско-мусульманской традиции, Вселенная возникла в конечное и не очень отдаленное время в прошлом. Одним из аргументов в пользу такого начала было убеждение в необходимости «Первопричины» для объяснения существования Вселенной. (В рамках Вселенной всегда объяснялось одно событие как следствие какого-то более раннего события, но существование самой Вселенной можно было объяснить таким образом только в том случае, если у неё было какое-то начало.) Другой аргумент был выдвинут святым Августином в его книге «О граде Божьем». Он указывал на то, что цивилизация развивается, и мы помним, кто совершил то или иное деяние или разработал ту или иную технику. Таким образом, человек, а следовательно, возможно, и Вселенная, не могли существовать так уж долго. Святой Августин принял дату около 5000 года до н.э. для сотворения Вселенной согласно книге Бытия. (Интересно, что это не так уж далеко от конца последнего ледникового периода, примерно 10 000 года до нашей эры, когда, по мнению археологов, по-настоящему зародилась цивилизация.)
Аристотель, как и большинство других греческих философов, напротив, не одобрял идею сотворения мира, поскольку она слишком сильно отдавала божественным вмешательством. Поэтому они считали, что человеческий род и окружающий его мир существовали и будут существовать вечно. Древние уже рассматривали описанный выше аргумент о прогрессе и отвечали на него, утверждая, что периодически случались наводнения или другие катастрофы, которые неоднократно отбрасывали человеческий род к истокам цивилизации.
Вопросы о том, имела ли Вселенная начало во времени и ограничена ли она в пространстве, были подробно рассмотрены философом Иммануилом Кантом в его монументальном (и весьма малоизвестном) труде «Критика чистого разума», опубликованном в 1781 году. Он назвал эти вопросы антиномиями (то есть противоречиями) чистого разума, поскольку считал, что существуют одинаково убедительные аргументы как в пользу тезиса о том, что Вселенная имела начало, так и в пользу антитезиса о том, что она существовала вечно. Его аргумент в пользу тезиса заключался в том, что если бы у Вселенной не было начала, то до любого события существовал бы бесконечный период времени, что он считал абсурдным. Аргумент в пользу антитезиса заключался в том, что если бы у Вселенной было начало, то до него существовал бы бесконечный период времени, так почему же Вселенная должна начинаться в какой-либо конкретный момент времени? На самом деле, его доводы как в пользу тезиса, так и в пользу антитезиса представляют собой один и тот же аргумент. Оба они основаны на его невысказанном предположении, что время продолжается вспять бесконечно, независимо от того, существовала ли Вселенная вечно или нет. Как мы увидим, понятие времени не имело смысла до начала Вселенной. Впервые на это указал святой Августин. На вопрос: «Что Бог делал до сотворения Вселенной?» Августин не ответил: «Он готовил ад для тех, кто задавал такие вопросы». Вместо этого он сказал, что время — это свойство Вселенной, созданной Богом, и что времени не существовало до начала Вселенной.
Когда большинство людей верило в по сути статичную и неизменную Вселенную, вопрос о её начале был скорее вопросом метафизики или теологии. Наблюдаемые явления можно было одинаково хорошо объяснить теорией вечного существования Вселенной или теорией её приведения в движение в какой-то конечный момент времени таким образом, что создавалось впечатление её вечного существования. Но в 1929 году Эдвин Хаббл сделал знаменательное наблюдение: куда ни посмотришь, далёкие галактики быстро удаляются от нас. Другими словами, Вселенная расширяется. Это означает, что в более ранние времена объекты находились ближе друг к другу. Фактически, казалось, что существовал период, примерно десять или двадцать миллионов лет назад, когда все они находились в одном и том же месте, и, следовательно, плотность Вселенной была бесконечной. Это открытие, наконец, вывело вопрос о начале Вселенной в область науки.

===Наблюдения Хаббла предполагают, что существовал момент, называемый Большим взрывом, когда Вселенная была бесконечно мала и бесконечно плотна. В таких условиях все законы науки, а следовательно, и вся способность предсказывать будущее, перестали бы действовать. Если бы существовали события, произошедшие раньше этого момента, они не могли бы повлиять на то, что происходит в настоящее время. Их существование можно игнорировать, поскольку оно не имело бы никаких наблюдательных последствий. Можно сказать, что время имело начало в Большом взрыве в том смысле, что более ранние времена просто не были бы определены. Следует подчеркнуть, что это начало во времени сильно отличается от тех, которые рассматривались ранее. В неизменной Вселенной начало во времени — это нечто, что должно быть навязано неким существом вне Вселенной; нет физической необходимости в начале. Можно представить, что Бог создал Вселенную буквально в любой момент прошлого. С другой стороны, если Вселенная расширяется, могут существовать физические причины, по которым должно было быть начало. Можно предположить, что Бог создал Вселенную в момент Большого взрыва или даже после него, так, чтобы это выглядело как Большой взрыв, но было бы бессмысленно предполагать, что она была создана до Большого взрыва. Расширяющаяся Вселенная не исключает существования Творца, но она накладывает ограничения на то, когда Он мог выполнить свою работу!
Чтобы говорить о природе Вселенной и обсуждать такие вопросы, как наличие у неё начала и конца, необходимо чётко понимать, что такое научная теория. Я буду придерживаться упрощённого представления о том, что теория — это всего лишь модель Вселенной, или её ограниченной части, и набор правил, связывающих величины в модели с наблюдениями, которые мы делаем. Она существует только в нашем сознании и не имеет никакой другой реальности (что бы это ни значило). Теория хороша, если она удовлетворяет двум требованиям. Она должна точно описывать большой класс наблюдений на основе модели, содержащей лишь несколько произвольных элементов, и должна делать определённые предсказания относительно результатов будущих наблюдений. Например, Аристотель верил в теорию Эмпедокла о том, что всё состоит из четырёх элементов: земли, воздуха, огня и воды. Это было достаточно просто, но не содержало никаких определённых предсказаний. С другой стороны, теория гравитации Ньютона основывалась на ещё более простой модели, в которой тела притягивались друг к другу с силой, пропорциональной величине, называемой их массой, и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Тем не менее, она с высокой степенью точности предсказывает движение Солнца, Луны и планет.
Любая физическая теория всегда является предварительной в том смысле, что это всего лишь гипотеза: её никогда нельзя доказать. Независимо от того, сколько раз результаты экспериментов согласуются с какой-либо теорией, нельзя быть уверенным, что в следующий раз результат не будет противоречить теории. С другой стороны, теорию можно опровергнуть, обнаружив хотя бы одно наблюдение, противоречащее её предсказаниям. Как подчеркивал философ науки Карл Поппер, хорошая теория характеризуется тем, что она делает ряд предсказаний, которые в принципе могут быть опровергнуты или фальсифицированы путем наблюдения. Каждый раз, когда новые эксперименты подтверждают предсказания, теория сохраняется, и наша уверенность в ней возрастает; но если когда-либо обнаруживается новое наблюдение, противоречащее ей, нам приходится отказаться от теории или изменить её.
По крайней мере, так должно быть, но всегда можно усомниться в компетентности человека, проводившего наблюдение.
На практике часто бывает так, что разрабатывается новая теория, которая на самом деле является расширением предыдущей. Например, очень точные наблюдения планеты Меркурий выявили небольшое различие между её движением и предсказаниями теории гравитации Ньютона. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывала несколько иное движение, чем теория Ньютона. Тот факт, что предсказания Эйнштейна совпали с наблюдаемым, в то время как предсказания Ньютона — нет, стал одним из важнейших подтверждений новой теории. Тем не менее, мы по-прежнему используем теорию Ньютона во всех практических целях, поскольку разница между её предсказаниями и предсказаниями общей теории относительности очень мала в тех ситуациях, с которыми мы обычно имеем дело. (Теория Ньютона также имеет большое преимущество в том, что с ней гораздо проще работать, чем с теорией Эйнштейна!)
Конечная цель науки — создать единую теорию, описывающую всю Вселенную. Однако большинство ученых на самом деле разделяют проблему на две части. Во-первых, это законы, которые описывают, как Вселенная меняется со временем. (Если мы знаем, как выглядит Вселенная в любой момент времени, эти физические законы описывают, как она будет выглядеть в любой последующий момент времени.) Во-вторых, это вопрос о начальном состоянии Вселенной. Некоторые считают, что наука должна заниматься только первой частью; они рассматривают вопрос о начальном состоянии как вопрос метафизики или религии. Они утверждают, что Бог, будучи всемогущим, мог начать Вселенную любым желаемым способом. Возможно, это и так, но в этом случае он также мог бы заставить её развиваться совершенно произвольным образом. Тем не менее, похоже, что он выбрал очень закономерное развитие в соответствии с определенными законами. Поэтому представляется столь же разумным предположить, что существуют также законы, управляющие начальным состоянием.
Оказывается, разработать теорию, которая бы описывала Вселенную целиком, очень сложно. Вместо этого мы разбиваем проблему на части и создаём ряд частичных теорий. Каждая из этих частичных теорий описывает и предсказывает определённый ограниченный класс наблюдений, пренебрегая влиянием других величин или представляя их простыми наборами чисел. Возможно, такой подход совершенно неверен. Если всё во Вселенной фундаментальным образом зависит от всего остального, то приблизиться к полному решению, исследуя отдельные части проблемы изолированно, может оказаться невозможным. Тем не менее, именно таким путём мы добились прогресса в прошлом. Классическим примером снова является ньютоновская теория гравитации, которая говорит нам, что гравитационная сила между двумя телами зависит только от одного числа, связанного с каждым телом, — его массы, но в остальном не зависит от того, из чего состоят эти тела. Таким образом, для расчёта орбит Солнца и планет не требуется теория их структуры и строения.
Сегодня учёные описывают Вселенную с помощью двух основных частных теорий — общей теории относительности и квантовой механики. Они являются величайшими интеллектуальными достижениями первой половины этого столетия. Общая теория относительности описывает силу гравитации и крупномасштабную структуру Вселенной, то есть структуру в масштабах от нескольких миль до миллионов миллионов миллионов миллионов миль (1 с двадцатью четырьмя нулями после неё), то есть размер наблюдаемой Вселенной. Квантовая механика, с другой стороны, занимается явлениями в чрезвычайно малых масштабах, таких как миллионная доля миллионной доли дюйма. К сожалению, однако, известно, что эти две теории противоречат друг другу — они не могут быть обе верны. Одно из главных направлений современной физики, и главная тема этой книги, — это поиск новой теории, которая объединит обе теории — квантовой теории гравитации. У нас пока нет такой теории, и, возможно, до её появления ещё далеко, но мы уже знаем многие свойства, которыми она должна обладать. Как мы увидим в последующих главах, нам уже довольно многое известно о предсказаниях, которые должна делать квантовая теория гравитации.
Теперь, если вы верите, что Вселенная не произвольна, а подчиняется определенным законам, вам в конечном итоге придется объединить частичные теории в единую, полную теорию, которая опишет все во Вселенной. Но в поиске такой единой, полной теории, кроется фундаментальный парадокс. Изложенные выше идеи о научных теориях предполагают, что мы — рациональные существа, свободные наблюдать за Вселенной так, как нам хочется, и делать логические выводы из увиденного. В такой схеме разумно предположить, что мы можем все ближе приближаться к законам, управляющим нашей Вселенной. Однако, если действительно существует единая, полная теория, она, предположительно, будет определять и наши действия. И, следовательно, сама теория будет определять результат наших поисков! И почему она должна определять, что мы придем к правильным выводам на основе имеющихся данных? Разве она не может в равной степени определить, что мы сделаем неверный вывод? Или вообще никакого вывода?
Единственный ответ, который я могу дать на эту проблему, основан на принципе естественного отбора Дарвина. Идея заключается в том, что в любой популяции самовоспроизводящихся организмов будут наблюдаться вариации генетического материала и воспитания у разных особей. Эти различия будут означать, что некоторые особи лучше других способны делать правильные выводы об окружающем мире и действовать соответственно. У таких особей будет больше шансов выжить и размножиться, и поэтому их модель поведения и мышления станет доминирующей. Безусловно, в прошлом то, что мы называем интеллектом и научными открытиями, давало преимущество в выживании. Не так очевидно, что это по-прежнему так: наши научные открытия вполне могут уничтожить нас всех, и даже если этого не произойдет, полная единая теория может не сильно повлиять на наши шансы на выживание. Однако, если Вселенная эволюционировала упорядоченным образом, мы можем ожидать, что способности к рассуждению, которые нам дал естественный отбор, будут действительны и в нашем поиске полной единой теории, и, следовательно, не приведут нас к неверным выводам.
Поскольку имеющихся у нас частичных теорий достаточно для точных предсказаний во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательной теории Вселенной представляется труднооправданным с практической точки зрения. (Стоит отметить, однако, что аналогичные аргументы могли быть использованы как против теории относительности, так и против квантовой механики, а ведь именно эти теории дали нам ядерную энергию и революцию в микроэлектронике!) Поэтому открытие полной единой теории может не способствовать выживанию нашего вида. Оно может даже не повлиять на наш образ жизни. Но с самого начала цивилизации люди не довольствовались тем, что рассматривали события как разрозненные и необъяснимые. Они жаждали понимания лежащего в основе порядка в мире. Сегодня мы по-прежнему стремимся узнать, почему мы здесь и откуда мы пришли. Глубочайшее стремление человечества к знаниям является достаточным оправданием для наших дальнейших поисков. И наша цель — ни много ни мало полное описание Вселенной, в которой мы живем.

ГЛАВА 2
ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ
====================
Наши современные представления о движении тел восходят к Галилею и Ньютону. До них люди верили Аристотелю, который утверждал, что естественное состояние тела — это состояние покоя, и оно движется только под действием силы или импульса. Из этого следовало, что тяжелое тело должно падать быстрее легкого, потому что оно будет сильнее притягиваться к земле.
Аристотелевская традиция также утверждала, что все законы, управляющие Вселенной, можно вывести чистой мыслью: нет необходимости проверять это наблюдением. Поэтому никто до Галилео не удосужился проверить, падают ли тела разного веса с разной скоростью. Говорят, что Галилео доказал ложность убеждения Аристотеля, сбросив груз с Пизанской башни. Эта история почти наверняка не соответствует действительности, но Галилео сделал нечто подобное: он скатывал шары разного веса по гладкому склону. Ситуация похожа на вертикальное падение тяжелых тел, но наблюдать за этим проще, потому что скорости меньше. Измерения Галилео показали, что каждое тело увеличивает свою скорость с одинаковой скоростью, независимо от своего веса. Например, если вы отпустите шар на склоне, который опускается на один метр на каждые десять метров, то шар будет двигаться вниз по склону со скоростью примерно один метр в секунду через одну секунду, два метра в секунду через две секунды и так далее, независимо от веса шара. Конечно, свинцовый груз будет падать быстрее, чем перо, но это только потому, что перо замедляется сопротивлением воздуха. Если сбросить два тела, которые не испытывают сильного сопротивления воздуха, например, два разных свинцовых груза, они будут падать с одинаковой скоростью. На Луне, где нет воздуха, замедляющего движение, астронавт Дэвид Р. Скотт провел эксперимент с пером и свинцовым грузом и обнаружил, что они действительно упали на землю одновременно.
Измерения Галилео были использованы Ньютоном в качестве основы для его законов движения. В экспериментах Галилео, когда тело скатывалось по склону, на него всегда действовала одна и та же сила (его вес), и результатом было постоянное увеличение его скорости. Это показало, что реальное действие силы всегда заключается в изменении скорости тела, а не просто в приведении его в движение, как считалось ранее. Это также означало, что всякий раз, когда на тело не действует никакая сила, оно будет продолжать двигаться по прямой линии с той же скоростью. Эта идея была впервые явно сформулирована в «Математических принципах» Ньютона, опубликованных в 1687 году, и известна как первый закон Ньютона. Что происходит с телом, когда на него действует сила, описывается вторым законом Ньютона. Он гласит, что тело будет ускоряться, или изменять свою скорость, со скоростью, пропорциональной силе. (Например, ускорение вдвое больше, если сила вдвое больше.) Ускорение также меньше, чем больше масса (или количество вещества) тела. (Та же сила, действующая на тело с удвоенной массой, будет создавать вдвое меньшее ускорение.) Знакомый пример — автомобиль: чем мощнее двигатель, тем больше ускорение, но чем тяжелее автомобиль, тем меньше ускорение при том же двигателе. В дополнение к своим законам движения Ньютон открыл закон, описывающий силу гравитации, который гласит, что каждое тело притягивает каждое другое тело с силой, пропорциональной массе каждого тела. Таким образом, сила между двумя телами будет вдвое больше, если масса одного из тел (например, тела А) удвоится. Это вполне ожидаемо, поскольку можно представить новое тело А как состоящее из двух тел с первоначальной массой. Каждое из них будет притягивать тело В с первоначальной силой. Таким образом, суммарная сила между А и В будет вдвое больше первоначальной силы. А если, скажем, одно из тел будет иметь вдвое большую массу, а другое — втрое большую, то сила будет в шесть раз больше. Теперь понятно, почему все тела падают с одинаковой скоростью: тело, вес которого вдвое больше, будет испытывать вдвое большую силу гравитации, тянущую его вниз, но оно также будет иметь вдвое большую массу. Согласно второму закону Ньютона, эти два эффекта точно компенсируют друг друга, поэтому ускорение будет одинаковым во всех случаях.
(*-20 СТР-(163 стр.*)
~