На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё

Я знала, что физикам нужна теория квантовой гравитации, поскольку общая теория относительности и квантовая механика не могли мирно сосуществовать в одной Вселенной. Но что именно сделало их столь безнадежно несовместимыми? Куда бы я ни посмотрела, я везде находила только технические тонкости: мир теории относительности – непрерывный, квантовый мир – дискретный; в теории относительности положение в пространстве-времени точно определено, а в квантовой теории – размыто. Это были препятствия, конечно, но не принципиально непреодолимые. Это было похоже на то, как если бы теория относительности предпочитала шоколад, а квантовая теория – ваниль. То есть совсем не так, как если бы теория относительности была протестантом, а квантовая теория – уткой.

Теория относительности, по сути, говорит о том, что такое пространство и время для разных наблюдателей. Все началось с простого вопроса, который сводил с ума шестнадцатилетнего Альберта Эйнштейна. Как будет выглядеть луч света для наблюдателя, перемещающегося со скоростью света вдоль этого луча? Будет ли он находиться в состоянии покоя, так же как автомобиль на соседней полосе выглядит стоящим на месте, если вы едете вместе с ним в одном направлении и с точно такой же скоростью? В уравнениях Джеймса Клерка Максвелла электромагнитные волны, иначе известные как свет, всегда распространяются с одной и той же скоростью – 186 000 миль в секунду (или 300 000 км/с). Эйнштейн сразу увидел проблему. Для наблюдателя, перемещающегося со скоростью 186 000 миль в секунду, скорость света упадет до нуля. И что тогда? Электромагнетизм перестанет существовать? Вселенная закончится? Эйнштейн понял: чтобы во Вселенной не произошло светопреставление и чтобы законы электромагнетизма в равной степени действовали для любого наблюдателя, не должно существовать системы отсчета, в которой бы свет остановился. Такое возможно только в том случае, если для любого наблюдателя свет распространяется с постоянной скоростью 186 000 миль в секунду, независимо от того, как быстро движется сам наблюдатель относительно света. Неважно, насколько быстро вы передвигаетесь, – вы никогда не сможете поймать луч света. Даже если вы перемещаетесь с высокой скоростью вдоль светового луча, все равно световой поток будет неумолимо удаляться все с той же скоростью 186 000 миль в секунду. Горизонт отступает так же быстро, как вы приближаетесь.

Насколько безумно это звучит, не сразу заметишь. Скорость определяется пространством, которое что-либо пересекает за определенное время. Чтобы свет всегда двигался с одной и той же скоростью независимо от того, как быстро перемещается наблюдатель, пространство и время по отдельности должны изменяться от наблюдателя к наблюдателю. Общее расстояние в пространстве и времени в сочетании остается же для каждого наблюдателя постоянным – объединенное четырехмерное пространство-время, которое наблюдатели бороздят в различных направлениях, выбирая, какие координаты назвать пространством, а какие – временем, в соответствии с их индивидуальными точками зрения.

Эйнштейн знал, что должен существовать какой-то способ преобразования от одной точки зрения к другой, некоторое предписание, которое дает возможность представить, как одно и то же пространство-время выглядит для разных наблюдателей, поскольку, предположительно, есть только одна Вселенная. Когда он нашел такое предписание, он назвал его специальной теорией относительности. Специальной

– потому что она работает только при условии равномерного и прямолинейного движения наблюдателей относительно друг друга. Эта теория ничего не говорила о неравномерно перемещающихся наблюдателях или наблюдателях, двигающихся с ускорением. Из нее следует, что тот парень, который едет по Бедфорд-авеню с постоянной скоростью, окажется совсем в другой вселенной, чем тот парень, который разгоняет свой автомобиль рядом с ним, хотя оба находятся в Бруклине.

Для Эйнштейна это было почти трагедией. Он свято верил, что истинная природа Вселенной не зависит от произвольного выбора координат, что реальность едина, объединяя все наши частные точки зрения, что существует способ увидеть мир таким, каков он в действительности есть, сам по себе, независимо от того, кто на него смотрит и как при этом движется. Он отчаянно пытался слой за слоем снять с мира кожуру ложных представлений и добраться до истины, которая находится под ней. Для этого было необходимо найти способ, с помощью которого можно перейти от того, что видит инерциальный наблюдатель, к тому, что видит наблюдатель, движущийся с ускорением. Эта задача привела Эйнштейна к созданию его шедевра – общей теории относительности.

Я мысленно вернулась в ту ночь, когда общая теория относительности наконец обрела для меня смысл. Я тогда еще училась в школе. Поздней ночью мы сидели за кухонным столом с отцом. Это был один из тех редких моментов, когда что-то в мозгу щелкает, и все вокруг изменяется навсегда.