Неприятности с физикой: Взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Чтобы ответить на эти вопросы, Кеплер выяснил роль точного положения Солнца в каждой орбите. Его первый большой прорыв заключался в открытии, что орбиты не являются кругами, они являются эллипсами. И у Солнца определенная роль: оно находится точно в фокусе эллипса каждой орбиты. Это был первый закон Кеплера. Вскоре после этого он открыл свой второй закон, который заключался в том, что скорости планет на их орбитах возрастают или уменьшаются, когда планеты двигаются ближе к Солнцу или дальше от него. Позднее он открыл третий закон, который управляет отношениями скоростей планет.

Эти законы отметили некоторый глубокий факт унификации солнечной системы, поскольку законы применимы ко всем планетам. Награда заключалась в том, что впервые мы имели теорию, которая могла делать предсказания. Предположим, открыта новая планета. Можем ли мы предсказать, какой будет ее орбита? До Кеплера никто бы не смог. Но, имея законы Кеплера, все, что нам нужно, это два наблюдения положения планеты, и мы сможем предсказать ее орбиту.

Эти открытия вымостили дорогу Ньютону. Великим прозрением Ньютона было увидеть, что сила, которую Солнце оказывает на планеты, является той же самой, как и сила гравитации, которая удерживает нас на Земле, и потому объединить физику небес с физикой на Земле.

Конечно, идея силы, испускаемой от Солнца на планеты, была абсурдной для большинства ученых того времени. Они верили, что пространство пустое, там нет носителя, который мог бы переправлять такую силу. Более того, не было никаких видимых ее проявлений – никакой руки, протянувшейся от Солнца до каждой планеты, – а невидимое ничто не может быть реальным.

Все это хорошие уроки для будущих объединителей/унификаторов. Первый в том, что математическая красота может ввести в заблуждение. Простые наблюдения, сделанные на основании данных, часто более важны. Другой урок в том, что корректные унификации имеют следствия для явлений, о которых не подозревали в момент, когда унификация придумывалась, как в случае с применением законов Кеплера к лунам Юпитера. Правильные объединения также поднимают вопросы, которые могут показаться абсурдными в тот момент, но которые приводят к дальнейшим унификациям, как это было с постулатом Кеплера о силе, действующей от Солнца на планеты. Самое важное, мы увидели, что реальная революция часто требует нескольких новых предложений по унификации, идущих вместе, чтобы поддерживать друг друга. В революции Ньютона было несколько предложенных унификаций, которые одновременно одержали триумф: объединение Земли с планетами, объединение Солнца со звездами, объединение покоя и равномерного движения и объединение гравитационной силы на Земле с силой, путем которой Солнце влияет на движение планет. Проще говоря, ни одна из этих идей не могла бы уцелеть, но вместе они побили своих противников. В результате получилась революция, которая трансформировала каждый аспект нашего понимания природы.

В истории физики была одна унификация, которая больше других может служить моделью того, что физики пытаются сделать в последние тридцать лет. Это объединение электричества и магнетизма, полученное Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860е. Максвелл использовал мощную идею, именуемую полем, которая была придумана британским физиком Майклом Фарадеем в 1840е, чтобы объяснить, как сила может передаваться через пустое пространство от одного тела к другому. Идея в том, что поле есть величина, подобная числу, которое живет в каждой точке пространства. Когда вы движетесь сквозь пространство, величина поля изменяется непрерывно. Величина поля в каждой точке также эволюционирует во времени. Теория дает нам законы, которые говорят, как поле изменяется, когда мы движемся в пространстве и через время. Эти законы говорят нам, что величина поля в отдельной точке также подвержена влиянию поля в соседних точках. Поле в точке может также подвергаться влиянию материального тела в той же точке. Таким образом, поле может переносить силу от одного тела к другому. Тут не требуется верить в призрачное действие на расстоянии.

Одно из полей, которые изучал Фарадей, было электрическое поле. Это не число, но вектор, который мы можем изобразить как стрелку и который может изменять свою длину и направление. Представим такую стрелку в каждой точке пространства. Представим, что концы стрелок в близких точках соединены друг с другом резиновыми лентами. Если я потяну за одну, лента потянет и соседнюю. Стрелки также подвергаются влиянию электрических зарядов. Эффект влияния в том, что стрелки упорядочиваются так, что они подходят к близлежащим отрицательным зарядам и отходят от близлежащих положительных зарядов.

Фарадей также изучал магнетизм. Он ввел другое поле, другую коллекцию стрелок, которые он назвал магнитным полем; эти стрелки предпочитают указывать на полюса магнитов (см. Рис.2).

Фарадей записал простые законы для описания того, как стрелки электрического и магнитного полей изменяются под действием близких зарядов и магнитных полюсов, а также под действием стрелок близких полей. Он и другие проверили законы и нашли, что они дают предсказания, которые согласуются с экспериментом.

Среди открытий того времени было явление, которое смешивало электрические и магнитные эффекты. Например, движущийся по кругу заряд возбуждает магнитные поля. Максвелл осознал, что эти открытия указывают на объединение электричества и магнетизма. Чтобы полностью объединить их, он изменил уравнения. Когда он сделал это, просто добавив один член, его объединение стало объединением со следствиями.

Новые уравнения позволили электрическому и магнитному полям переходить друг в друга. Эти преобразования вызывают волны меняющихся рисунков, в которых первый есть электрическое поле, а затем магнитное поле, и которые двигаются через пространство. Такие движущиеся рисунки могут, среди других вещей, колебать электрический заряд назад и вперед. Надвигающиеся волны могут переносить энергию из одного места в другое. Самая ошеломляющая вещь была в том, что Максвелл смог рассчитать скорость этих волн из своей теории, и нашел, что она такая же, как скорость света. Далее это принесло ему успех. Волны, проходящие через электрические и магнитные поля, есть свет. Максвелл не намеревался создать теорию света, он намеревался объединить электричество и магнетизм. Но, сделав это, он достиг кое-чего большего. Это пример того, как хорошая унификация будет иметь неожиданные следствия как для теории, так и для эксперимента.

Новые предсказания немедленно последовали. Максвелл осознал, что электромагнитные волны должны быть на всех частотах, а не только на частотах видимого света, и это приводит к открытию радио, инфракрасного света, ультрафиолетового света и так далее. Это иллюстрирует другой исторический урок: Когда кто-то предлагает правильную новую унификацию, следствия становятся очевидны очень быстро. Многие из этих явлений наблюдались в первые годы после того, как Максвелл опубликовал свою теорию.

Это заостряет вопрос, который станет важным, когда мы будем обсуждать другие предложения по унификации. Все унификации имеют следствия, поскольку они приводят к явлениям, которые возникают из-за того, что унифицированные вещи могут трансформироваться друг в друга. В хороших случаях эти новые явления вскоре наблюдаются – изобретатели имеют все основания прославить унификацию. Но мы увидим, что в других случаях предсказанные явления уже находятся в конфликте с наблюдениями. При таких несчастливых событиях сторонники или отказываются от своей теории, или ограничивают ее неестественным образом так, чтобы скрыть следствия унификации.

Но даже при всем триумфе объединение Максвеллом электричества и магнетизма столкнулось с труднопреодолимым препятствием. В середине девятнадцатого века большинство физиков верили, что физика была объединена потому, что все сущее было сделано из материи (или содержало материю, чтобы удовлетворить законам Ньютона). Для этих "механицистов" идею поля, просто колеблющегося в пространстве, было тяжело переварить. Теория Максвелла для них не имела смысла без некоторого материала, чье изгибание и растяжение должны были бы составить правильную реальность за электрическим и магнитным полями. Некоторый материал должен был бы колыхаться, когда волна света путешествует от цветка к глазу.

Фарадей и Максвелл сами были механицистами, и они посвятили много времени и волнений, чтобы рассмотреть эту проблему. Они были не одиноки, юный джентльмен тех времен делал хорошую карьеру в обновленных учреждениях, придумывая улучшение конструкций микроскопической оснастки, шкивов и ремней, чтобы они подразумевали лежащие в основе уравнения Максвелла. Тому, кто смог бы решить запутанные уравнения, были обещаны призы.

Имелось большое и очевидное проявление проблемы, которая заключалась в том, что свет путешествует до нас от Солнца и звезд, а внешнее пространство пусто и свободно от любой материи. Если бы в пространстве была любая материя, она замедляла бы движение планет, которые по этой причине давно бы упали на Солнце. Но как могут электрическое и магнитное поля находиться в вакууме?

Так механицисты придумали новую форму материи – эфир – и заполнили им пространство. Эфир имел парадоксальные свойства: он должен был быть экстремально плотным и неэластичным, чтобы свет был, по существу, звуковой волной через него. Гигантское отношение скорости света к скорости звука было бы следствием невообразимой плотности эфира. В то же время, эфир предполагался абсолютно не противодействующим прохождению через него обычной материи. Это тяжелее устроить, чем это выглядит. Можно просто сказать, что эфир и обычная материя не взаимодействуют друг с другом, – это означает, что они не оказывают друг на друга никакого силового воздействия. Но тогда почему обычная материя должна замечать свет – или электрические и магнитные поля, – если они являются просто искажениями в эфире? Не удивительно, что тому, кто умело это все обрабатывал, давали профессорство.

Могла ли быть более прекрасная унификация, чем теория эфира? Объединялись не только свет, электричество и магнетизм, эта унификация была их объединением с материей.

Однако, в то время, когда разрабатывалась теория эфира, концепция физиков по поводу материи также подвергалась изменениям. В начале девятнадцатого столетия большинство физиков думали о материи как о непрерывной, но позднее в том же веке был открыт электрон и идея, что материя состоит из атомов, была принята более серьезно – по меньшей мере, некоторыми физиками. Но это вызвало новый вопрос: что такое атомы и электроны в мире, сделанном из эфира?

Картина линий поля подобна линиям магнитного поля, следующих из северного полюса магнита к его южному полюсу. Линии поля никогда не могут закончиться, кроме их окончания на полюсе магнита, это один из законов Максвелла. Но они могут замыкаться в круги, и такие круги могут завязываться в узлы. Так что, возможно, атомы есть узлы в магнитных силовых линиях.

Но, как знает любой моряк, имеются разные способы завязать узел. Может быть, это хорошо, поскольку есть разные виды атомов. В 1876 лорд Кельвин предположил, что различные атомы могли бы соответствовать различным узлам.

Это может показаться абсурдным, но повторим, что в то время мы очень мало знали об атомах. Мы ничего не знали о ядре и никогда не слышали о протонах или нейтронах. Так что это было не так уж сумасшедшим, как может показаться.

В то время мы также очень мало знали об узлах. Никто не знал, сколько способов имеется, чтобы связать узел, или как отличить его. Так что, с подачи этой идеи математики начали изучение проблемы, как различить различные возможные узлы. Это медленно переросло в целый раздел математики, именуемый теория узлов. Вскоре было доказано, что имеется бесконечное количество различных способов завязать узел, но потребовалось долгое время, чтобы изучить, как отличить его. Некоторый прогресс был сделан в 1980е, но до сих пор никто не знает процедуры, как отличить, являются ли два сложных узла одинаковыми или различными.

Заметим, как хорошая идея по унификации, даже если она оказалась ошибочной, может инспирировать новое направление исследований. Мы должны иметь в виду, однако, что только тот факт, что объединяющая теория плодотворна для математики, не означает, что физическая теория корректна. С другой стороны, успех теории узлов потребовался бы нам, если бы мы все еще верили, что атомы есть узлы в магнитном поле.

Имелась и дальнейшая проблема: теория Максвелла вступила в противоречие с принципом относительности из ньютоновской физики. Оказалась, что через проведение различных экспериментов, включая измерение скорости света, наблюдатели выяснили, что об электромагнитном поле можно было бы сказать, движется оно или нет.

Здесь конфликт между двумя унификациями, обе из которых являются центральными в ньютоновской физике: унификация всего как материи, подчиняющейся законам Ньютона, против унификации движения и покоя. Для многих физиков ответ был очевиден: идея материальной вселенной была более важна, чем, возможно, второстепенный факт, что тяжело регистрировать движение. Но несколько физиков определили принцип относительности как более важный. Одним из них был юный студент, обучавшийся в Цюрихе, по имени Альберт Эйнштейн. Он размышлял над загадкой около десяти лет, начав в возрасте 16 лет, и, наконец, в 1905 осознал, что ответ требует полного пересмотра наших представлений о пространстве и времени.

Эйнштейн решил загадку, сыграв в тот же самый великий трюк, в который исходно играли Галилей и Ньютон, чтобы установить относительность движения. Он осознал, что различие между электрическими и магнитными эффектами зависит от движения наблюдателя. Так что унификация Максвелла оказалась глубже, чем даже подозревал сам Максвелл. Электрическое и магнитное поля не только были различными аспектами одного явления, но и различные наблюдатели проводили бы это различие по-разному; это означает, что один наблюдатель может объяснять некоторое явление в терминах электричества, в то время как другой наблюдатель, движущийся относительно первого, мог бы объяснить то же самое явление в терминах магнетизма. Но оба согласятся по поводу того, что происходит. Так родилась специальная теория относительности (СТО) Эйнштейна как объединение галилеевской унификации покоя и движения с максвелловской унификацией электричества и магнетизма.

Из этого многое следует. Одно следствие в том, что свет должен иметь универсальную скорость, независимую от движения наблюдателя. Другое в том, что должна иметь место унификация пространства и времени. Ранее имелось явное различие: время было универсальным, и каждый согласился бы с тем, что понимается под одновременным происхождением двух событий. Эйнштейн показал, что наблюдатели, двигающиеся по отношению друг другу, будут не согласны с тем, произошли ли два события в разных местах в одно и то же время или нет. Это объединение подразумевалось в его статье 1905 года, озаглавленной "К электродинамике движущихся тел", и было установлено явно в 1907 одним из его учителей, Германом Минковским.

Итак, тут мы опять имеем историю двух соревнующихся попыток унификации. Механицисты имели прекрасную идею, которая объединит физику: все сущее есть материя. Эйнштейн поверил в другой вид объединения: в унификацию движения и покоя. Чтобы поддержать это, он придумал еще более глубокую унификацию – пространства и времени. В каждом случае нечто, что раньше мыслилось как абсолютно различное, становилось различным только относительно движения наблюдателя.