Пространство и время
«Следует помнить, что то, что мы наблюдаем — это не природа как таковая, а природа, подвергнутая нашему методу задавать вопросы».
Жизнь — это путешествие. Мы перемещаемся в пространстве, видим новые места, однако и во времени мы тоже путешествуем. Просто во времени мы перемещаемся со скоростью одна секунда в секунду, и нам кажется, что нет ничего естественнее такого движения. Однако на самом деле у пространства и времени куда больше общего, чем мы привыкли думать — хотя время и в самом деле отличается от пространственных измерений.
Как пишет астрофизик Дэйв Голдберг в книге «Вселенная в зеркале заднего вида», «Скорость света — это не только валютный курс между веществом и энергией (E = mc2), но и темп конверсии между пространством и временем». Световой год — это всего-навсего расстояние, которое свет проходит за год, около 1016 метров — это примерно четверть расстояния до ближайшей звезды — Проксимы Центавра.
Если осмыслить это в терминах наших технических возможностей, то вспомним космический корабль «Вояджер‑I»: он запущен NASA еще в 1977 году и с тех пор летит за пределы Солнечной системы. Это самый далекий рукотворный объект, запущенный с Земли. 12 сентября 2013 года НАСА подтвердило, что «Вояджер-1» вышел за пределы гелиосферы Солнечной системы в межзвездное пространство. 5 января 2016 года «Вояджер-1» удалился от Солнца на расстояние 20 млрд км (133,7 а. е.). Это расстояние луч света преодолевает за 18 часов и 31 минуту. Вот такое близкое соотношение между пространством и временем.
Многие физики именно так к ним и относятся — понятия секунды и световой секунды для них взаимозаменяемы, а скорость света они приравнивают к единице. С практической точки это вопрос того, как мы определяем меры времени и расстояния. Из того, что скорость света конечна, следует, что мы вечно смотрим в прошлое. Солнце, которое мы видим сейчас — не то, каково оно в данный момент. Это Солнце 8 минут назад. Может быть, 7 минут назад оно погасло, а мы об этом ничего не знаем и не можем узнать.
Когда Нил Армстронг, ступая на поверхность Луны, произнес слова о крошечном шаге одного человека: «Это один маленький шаг для человека, но гигантский скачок для всего человечества», они были достоянием истории — и в буквальном, и в переносном смысле, поскольку радиоволны, передававшие его сообщение, шли до нас около 1,3 секунды.
Мы путешествуем во времени гораздо быстрее, чем в пространстве, поскольку это прямо следует из безумной скорости света. Свет перемещается так быстро, что еще несколько столетий назад мы не были уверены, что его скорость вообще конечна. Чтобы понять, что такое время, нам нужно сначала понять, что такое пространство. Например, первые расчеты расстояния до Солнца — сейчас мы знаем, что оно равно 149 597 870 километрам и называется астрономической единицей — были сделаны на основании одной лишь геометрии, и оно исчислялось в радиусах Земли.
Первым расстояние от Земли до Солнца пытался вычислить Аристарх Самосский, измеряя угол между Солнцем и Луной в фазу первой или последней четверти. По Аристарху, расстояние до Солнца в 18 раз больше расстояния до Луны. На самом деле расстояние до Солнца в 394 раза больше расстояния до Луны. Лишь около двух тысяч лет спустя, в конце XVIII века, французский астроном Жером Лаланд воспользовался редким и долгожданным астрономическим событием, чтобы точно вычислить расстояние до Солнца: астрономическим транзитом (прохождением) Венеры.
Свет показывает, как много у пространства и времени общего, однако у них много и различий. В пространстве нет предпочитаемых направлений, а во времени есть одно — из прошлого в будущее. Самое значительное событие во вселенной, ее зарождение, а, следовательно, и зарождение самого времени, произошло в прошлом. Если, конечно, у вселенной был момент зарождения. О Большом взрыве мы знаем все. Однако не сразу очевидно, зачем он был нужен, этот Большой взрыв.
Как только признаешь, что у вселенной было определенное начало, сразу же придется задаться вопросом: почему мы живем именно сейчас, а не миллиард лет назад и не через триллион лет? Мы не могли бы жить ни в какой другой момент в истории вселенной, ни в прошлом, ни в будущем. Например, период в истории Земли, когда условия на ней подходят для нашего существования, на удивление краток. Примерно через 4 млрд. лет Солнце превратится в красный гигант, однако по космическим масштабам это всего лишь миг.
Хотя вселенная просуществовала всего 14 млрд. лет — по нынешним оценкам учёных — она продолжит расширяться буквально вечно. Однако существование сложных форм жизни требует определенных благоприятных условий. Для поддержания любой деятельности, с участием жизни и без него, нужно определенное количество энергии, для сложных химических реакций необходимы тяжелые элементы и т. д. Это называется «антропный принцип».
Вселенная разная в разных местах и меняется со временем. Трактовки антропного принципа предполагают всего лишь, что люди, скорее всего, очутятся в тех регионах пространства и времени, которые лучше всего подходят для их эволюции и существования. В том, что мы по чистой случайности живем в области, законы физики в которой идеально подходят для существования человека, нет ничего загадочного. Насколько тонкая настройка нужна законам физики, чтобы мы могли существовать? Однако, большинство физиков лелеют надежду, что когда-нибудь они сумеют разработать Теорию Всего, основанную исключительно на основных принципах общей теории относительности.
Мы живем во вселенной, где соотношение параметров таково, что обеспечивает наше существование. Это позволяет сделать всего три варианта выводов:
Вселенная создана конкретно для людей или для сложной жизни в целом.
Параметры вселенной естественным образом следуют из какого-то еще не открытого закона физики, и нам просто повезло, что этот закон допускает наше существование.
Параметры во множественной вселенной варьируются, и по необходимости мы живем в одной из областей (возможно, очень редких), которая способна обеспечить условия для жизни (потому что при другом развитии событий нас бы не было).
Первый вариант не имеет отношения к физике, второй вариант, похоже, соответствует истине, однако физикам еще предстоит открыть Теорию Всего. Что можно сказать о третьем варианте? Все, что известно о Стандартной модели, построено на предположении, что измерений у вселенной три плюс одно, как предпочитают говорить специалисты.
С моделью «3+1» согласны не все ученые. Один из популярных подходов к пониманию единых законов вселенной получил название «М-теория», которая гласит, что у вселенной десять пространственных измерений и одно временное. Предполагается, что все пространственные измерения, кроме трех, очень малы, гораздо меньше не просто нас с вами, но и атомного ядра. Представим себе на миг, что М-теория верна, и тогда возможно, что где-то во множественной вселенной макроизмерений больше трех.
Но… во вселенных более высоких измерений невозможны стабильные орбиты, в четырехмерной вселенной Земля либо устремилась бы по спирали к Солнцу, либо улетела бы прочь. Так что нам выпала редкостная удача — примерно пять миллиардов лет нежиться на солнышке. Такое, оказывается, возможно только в трех измерениях.
