Если вы так думаете, то только потому, что живете в постньютоновском мире. Пока Ньютон не объяснил всего этого, люди не считали Землю ответственной за такое поведение яблока, а полагали, что оно само виновато в своем падении. Аристотель, например, считал, что различным видам материи присущи различные, но естественные состояния. Естественное состояние массивного тела – лежать на земле. Поднявшись же над землей, оно будет стремиться на нее упасть.
Представление о том, что падение объекта связано с природой объекта, а не с земным притяжением, на самом деле подсказывает нам интуиция. Я когда-то был научным консультантом высокобюджетного голливудского фильма, и режиссеры решили, что было бы здорово снять захватывающую сцену борьбы на планете, имеющей форму не сферы, а диска. Это было бы красиво, тут не поспоришь. Но операторы решили снять кульминационную сцену так, чтобы плохие парни падали с края планеты. Падать… но под действием чего? До сих пор многие люди думают, что падение – это естественное действие для объектов, а не следствие влияния на них силы притяжения каких-то крупных объектов. (Но нам удалось в фильме избежать такой ошибки.)
Итак, Ньютон предположил, что каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект во Вселенной. Более тяжелые объекты притягивают сильнее, чем более легкие, кроме того, чем ближе объект, тем он сильнее притягивается, чем дальше – тем слабее. Эти утверждения прекрасно соответствуют наблюдаемым данным и замечательно объединяют явления, происходящие на Земле и в небе.
Но теория тяготения Ньютона смущала многих. Как, например, Луна узнает о том, что Земля притягивает ее? В конце концов, Земля очень далеко, а мы привыкли к силам, которые ощущаются при соприкосновении с предметами, а не когда мы где-то далеко от них. Это загадочное явление – «действие на расстоянии» – беспокоило и Ньютона, и его критиков. Однако, если ваша теория великолепно объясняет множество разных явлений, вы в какой-то момент просто пожимаете плечами и говорите, что просто природа, по-видимому, устроена таким образом. Это в значительной степени похоже на сегодняшнюю ситуацию с квантовой механикой: она объясняет наблюдаемые явления, но мы считаем, что не понимаем ее достаточно глубоко.
И только в конце 1700-х годов французский физик Пьер-Симон Лаплас показал, что ньютоновская гравитация – отнюдь не магическое воздействие, передающееся на расстоянии. Лаплас описал гравитацию как поле, заполняющее все пространство. Позже это поле назвали «потенциальное гравитационное поле». Гравитационный потенциал искажается массивными телами по той же причине, по какой на температуру воздуха в помещении влияет горячая духовка: искажение тем сильнее, чем мы ближе к ней, и уменьшается, когда мы отходим от нее. Сила земного притяжения возникает, потому что объекты подталкиваются самим полем: они чувствуют, как их тянет в направлении, в котором потенциал гравитационного поля убывает, – подобно тому, как шар на неровной поверхности начинает катиться туда, где ближе к земле.
С точки зрения математики, теория Лапласа идентична теории Ньютона, однако концептуально она намного лучше согласуется с нашим интуитивным представлением о том, что вся физика, как и политика, является локальной. Но это не значит, что Земля просто устанавливает контакт с Луной и притягивает ее. Земля создает гравитационный потенциал вокруг себя, он влияет на потенциал поблизости, и так далее вплоть до Луны (и еще дальше). Гравитация – не магическая передача силы на бесконечные расстояния вроде телепатии. Она порождается плавными изменениями невидимого поля, пронизывающего все пространство.
Электромагнитное поле
Но впервые теория поля продемонстрировала свою эффективность при изучении не гравитации, а электромагнетизма. Заметим, что в действительности есть электрическое поле, а есть магнитное поле, но физики используют одно слово, электромагнетизм, говоря тем самым, что на самом деле это два разных проявления одного основного поля. Но связь между ними не всегда была такой очевидной, как сейчас.
Магнетизм был известен с древних времен – магнитные компасы изобрели более двух тысяч лет назад в Китае во времена династии Хань. И какие-то проявления электричества тоже были людям известны уже давно: например, можно получить удар током, притронувшись к угрю, а в янтаре, если его потереть тряпкой, возникает электростатический заряд. Были даже некоторые намеки на то, что эти явления как-то связаны. Бенджамин Франклин, например, в перерывах между запусками летающих змеев и борьбой за независимость Соединенных Штатов Америки продемонстрировал, что с помощью электричества можно намагнитить иголку.
Но все эти идеи по-настоящему собрались воедино только в 1820 году, когда датский физик Ганс Христиан Эрстед прочитал лекцию о природе электричества и магнетизма. Эрстед придумал остроумный способ, как продемонстрировать гипотетическую связь между ними. Он собрал электрическую цепь, пропустил через нее ток, установил рядом компас. Если его предположения верны, стрелка компаса должна была отклоняться из-за проходящего по цепи тока. К сожалению, стечение обстоятельств не позволило Эрстеду отрепетировать эксперимент до начала лекции, и он решил провести его прямо в аудитории перед собравшейся публикой, убежденный, что все должно получиться. И у него все получилось! Эрстед щелкнул выключателем, электрический ток потек по проводам, и собравшиеся в аудитории увидели явное, но очень небольшое дрожание стрелки компаса. Правда, по собственному признанию Эрстеда, эффект был очень небольшим и зрители ушли разочарованными. Но с того дня электричество и магнетизм слились в единое понятие – электромагнетизм.
Благодаря гениальным последователям Эрстеда Майклу Фарадею и Джеймсу Клерку Максвеллу была разработана сложнейшая теория электромагнитного поля. Вооружившись этой теорией, мы можем ответить на многие вопросы. Например, что произойдет, если мы возьмем электрический заряд и будем качать его вверх-вниз в вертикальном направлении? (Такой же вопрос можно было бы задать и о гравитационном поле, но гравитационная сила столь слаба, что будет очень трудно экспериментально проверить правильность ответа.)
Когда вы качаете заряд вверх-вниз, вполне понятно, что произойдет в результате этих манипуляций – возникнет рябь в электромагнитном поле. И эта рябь будет распространяться от заряда во все стороны в виде волн, так же, как когда вы уроните камень в воду, по воде от него пойдут круги. Один из видов электромагнитных волн нам хорошо знаком – это свет. Когда мы щелкаем выключателем и включаем лампу, электрический ток начинает течь через нить электрической лампы и нагревает ее. Тепло встряхивает атомы нити и связанные с ними электроны, заставляя их покачиваться туда-сюда. Это покачивание создает волны в электромагнитном поле, которые попадают в наши глаза и воспринимаются как свет.
Отождествление света с волнами электромагнитного поля является уже большим шагом вперед в нашем представлении о единстве физических явлений. Мы продвинулись еще дальше, когда поняли: то, что мы называем видимым светом, – всего лишь излучение определенных длин волны, тех, которые можно увидеть человеческим глазом. Более короткие волны – это ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи, более длинные волны – инфракрасный свет, микроволновое излучение и радиоволны. Работы Фарадея и Максвелла получили впечатляющее подтверждение в 1888 году, когда немецкий физик Генрих Герц впервые смог возбудить и зарегистрировать радиоволны.
Когда вы наводите пульт дистанционного управления на телевизор, это выглядит как передача воздействия на расстояние, но в действительности это не так. Вы нажимаете на кнопку, электрический ток начинает колебаться внутри электрического контура, спрятанного в пульте дистанционного управления, создавая радиоволну, которая распространяется, изменяя окружающее электромагнитное поле, к телевизору, и поглощается там похожим устройством. В современном мире электромагнитному полю вокруг нас приходится выполнять огромное количество дел – освещать наши жилища, посылать сигналы в наши сотовые телефоны и беспроводные компьютеры, греть еду в микроволновой печи. И все это делают движущиеся заряды, возбуждающие рябь в поле, распространяющемся наружу. Герц, кстати, такого совершенно не ожидал. Когда ученого спросили, как можно использовать его приемники радиоволн, он ответил: «Это абсолютно бессмысленная вещь». После настойчивых просьб предложить все-таки хоть какое-нибудь практическое применение радиоволн он ответил: «Я думаю, они никому не нужны». Об этом следует помнить, когда мы говорим о важности фундаментальных исследований.
Гравитационные волны
И только когда физики поняли взаимосвязь между электромагнетизмом и светом, они задались вопросом, не происходит ли то же самое с гравитационным полем. Это может показаться академическим вопросом, поскольку для создания настолько большого гравитационного поля, чтобы его можно было измерить, нам нужен объект размером с какую-нибудь планету или Луну. Мы не собираемся трясти Землю, чтобы возбудить волны, но найти такой объект во Вселенной – вообще-то не проблема. Наша галактика полна двойных звезд – систем, в которых две звезды вращаются друг вокруг друга, естественно, возбуждая при этом колебания гравитационного поля. Приводит ли это к распространению гравитационных волн?
Интересно, что гравитация в том виде, как ее описал Ньютон или Лаплас, не предполагает наличия какого-либо излучения. Теория говорит, что, когда планета или звезда движется, ее гравитационное притяжение изменяется мгновенно во всей Вселенной. То есть тут не распространяющаяся волна, а мгновенное преобразование всей Вселенной.
Это лишь один из пунктов, по которым ньютоновская гравитация, как оказалась, не слишком хорошо согласовывалась с меняющимися физическими концепциями XIX века. Электромагнетизм, и особенно ключевая роль скорости света, сыграли важную роль и вдохновили Альберта Эйнштейна и других ученых на создание теории относительности, что и было сделано в 1905 году. Согласно этой теории, ничто не может двигаться быстрее света – даже гипотетические колебания гравитационного поля. От чего-то нужно было отказаться. После десяти лет напряженной работы Эйнштейну удалось построить принципиально новую теорию гравитации, известную как общая теория относительности, которая полностью заменила теорию Ньютона.
Так же как и интерпретация Лапласа ньютоновской теории гравитации, общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию в терминах поля, которое определено в каждой точке пространства. Но поле Эйнштейна с точки зрения используемой математики гораздо сложнее, чем поле Лапласа, и может отпугнуть – вместо гравитационного потенциала, определяемого всего одним числом в каждой точке пространства, Эйнштейн использовал так называемый «метрический тензор», который можно определить в каждой точке совокупностью десяти независимых чисел. Эта математическая сложность укрепила репутацию общей теории относительности как теории, очень трудной для понимания. Но основная ее идея столь же проста, сколь и глубока: метрика описывает кривизну самого пространства-времени. Согласно Эйнштейну, гравитация является проявлением искривления и растяжения самой ткани пространства, способом измерения расстояний и отрезков времени во Вселенной. Когда мы говорим, что «гравитационное поле равно нулю», мы имеем в виду, что пространство-время гладкое, а геометрия Евклида, которую мы учили в школе, справедлива.
Одно радует: из общей теории относительности следует, что, как и в случае с электромагнитными волнами, рябь в гравитационном поле приводит к распространению гравитационных волн со скоростью света. И мы засекли их, хотя и не напрямую. В 1974 году Рассел Халс и Джозеф Тейлор обнаружили двойную систему, в которой оба объекта – нейтронные звезды, быстро вращающимися на очень близких орбитах. Общая теория относительности предсказывает, что такая система должна терять энергию, испуская гравитационные волны, и по мере сближения звезд это должно привести к постепенному уменьшению периода обращения. Халс и Тейлор смогли измерить это изменение периода, и оно оказалось в точности таким, как предсказывала теория Эйнштейна. В 1993 году за эту работу они были удостоены Нобелевской премии.
И все-таки это было косвенным измерением гравитационных волн. Мы, конечно, пытаемся увидеть их, и в настоящее время проводится ряд экспериментов по поискам гравитационных волн, приходящих от астрофизических источников. Как правило, в экспериментах стараются обнаружить изменение расстояний между зеркалами лазеров, отстоящими друг от друга на несколько километров. При прохождении гравитационной волны пространство-время должно то растягиваться, то сжиматься – и тогда и расстояние между зеркалами должно периодически изменяться. Этот крошечный эффект может быть обнаружен при измерении количества длин волн, умещающихся между двумя зеркалами, в зависимости от времени. В США эти эксперименты проводит Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватории (LIGO), включающая в себя две отдельные лаборатории – одна в штате Вашингтон, а другая в Луизиане. Они находятся в постоянном контакте с обсерваториями VIRGO в Италии и GEO 600 в Германии. Ни одна из этих лабораторий гравитационные волны пока не нашла, но ученые настроены оптимистически и надеются на недавно проделанную модернизацию оборудования. Если гравитационные волны все-таки будут обнаружены, мы получим прямое подтверждение тому, что гравитационное поле колеблется и испускает гравитационные волны.
Появление частиц из полей
Осознание того, что свет представляет собой электромагнитную волну, пришло в противоречие с ньютоновской теорией света, утверждавшей, что свет – это поток частиц, названных «корпускулами». Веские аргументы были у сторонников обеих теорий. С одной стороны, предметы на свету отбрасывают резкую тень – это понятно, если свет представляет собой поток частиц. К тому же из опыта со звуковыми волнами и волнами на поверхности мы знаем, что волны должны огибать препятствия, а свет этого не делает. С другой стороны, при прохождении через узкие отверстия свет может образовать интерференционную картину, как это делают все волны. Электромагнитная природа света, казалось, решила вопрос в пользу волн.
Концептуально поле (и, соответственно, волна) является противоположной частицам сущностью. Частица локализована в определенном месте в пространстве, в то время как поле существует везде, определяется в каждой точке величиной, равной некоторому конкретному числу, и, возможно, некоторыми другими характеристиками, например направлением. И только квантовая механика, которая появилась в 1900 году и определяла всю физику XX века, в конечном счете примирила две концепции. Кратко идею этого примирения можно сформулировать так: все состоит из полей, но если мы посмотрим на них повнимательнее, то увидим частицы.
Представьте, что вы ночью вышли на улицу. Очень темно, и свет исходит только от свечи, которую держит ваш друг, стоящий на некотором удалении. Если он будет удаляться от вас, то свет свечи будет тускнеть и в конце концов так ослабнет, что вы его вообще перестанете видеть. Вы решите, что скорее всего это связано с плохим зрением, а вот если бы ваши глаза были идеальными, вы увидели бы, как свет свечи постепенно тускнеет, но полностью никогда не исчезает.
На самом деле все происходит не так. Даже обладая идеальным зрением, вы не увидели бы постоянно тускнеющего света. Вначале, при удалении от свечи, ее свет действительно постепенно бы слабел, но в какой-то момент ситуация изменилась бы. Вместо того чтобы слабеть, свет свечи начал бы мерцать – включаться и выключаться, и это при том, что во включенном состоянии его яркость оставалась бы постоянной. По мере того как ваш друг уходил бы от вас все дальше, темные периоды удлинялись бы, а светлые – укорачивались, и в конце концов свеча почти всегда казалась бы темной, и только очень редко можно было бы увидеть слабые вспышки. Эти вспышки – отдельные частицы света – фотоны. Такой мысленный эксперимент описан в книге физика Дэвида Дойча «Структура реальности» (David Deutsch, The Fabric of Reality), где среди прочего отмечается, что у лягушек зрение лучше, чем у людей. Им повезло – они различают отдельные фотоны.
Идея фотонов впервые появилась в работах Макса Планка и Альберта Эйнштейна, выполненных ими на рубеже XIX–XX веков. Планк исследовал излучение, испускаемое объектами при нагревании. Проблема состояла в том, что экспериментальные результаты и теоретические, полученные в рамках волновой теории света, не совпадали. Согласно теории, интенсивность излучения с очень короткой длиной волны и, следовательно, с очень высокой энергией должна была быть намного больше, чем наблюдаемая в опыте. Планк предложил блестящее и несколько неожиданное решение: свет приходит в виде дискретных пакетов, или «квантов», а квант света с некоторой фиксированной длиной волны должен иметь фиксированную энергию. Требуется изрядное количество энергии, чтобы сформировать даже один квант коротковолнового света, поэтому теория Планка помогла объяснить, почему интенсивность коротковолнового излучения намного меньше, чем это следует из волновой теории.