В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики - Питер Эткинс

– не упражнение в пустословии, схожее больше с теологией, чем с физикой, дать понять, что в рамках научного метода из ничего могут быть получены проверяемые выводы, и заставить вас поверить, что его загадку можно раскрыть, а ее содержание представить вполне значимым. Я хочу показать, что ничто есть центральная идея, основа возможности понимания законов природы, и поэтому оно есть все существующее и все действующее. Короче, я хочу показать, что ничто есть фундамент всего.

Чтобы привести вас к пониманию «ничего» и всех его последствий, чтобы помочь вам разобраться, почему бездействие играет столь важную роль в установлении механистической инфраструктуры мира, я вначале хотел бы, чтобы вы задумались о «ничем» с точки зрения самого обыкновенного примитивного здравого смысла. Это в свою очередь должно будет привести вас к кое-чему более сложному, а здравому смыслу тогда придется несколько усохнуть. Но чтобы начать это путешествие, вы можете вполне безопасно представлять себе ничто как пустое пространство. И пока я не отвлеку вас от этих мыслей, просто ложитесь на спину и подумайте о бесконечном количестве миль однородного и пустого пространства, о бесконечной череде лет, протянувшейся из далекого прошлого в бездонное будущее. Подумайте о вечной, однородной и неизменной пустоте, царящей повсюду и всегда.

И в этот образ безбрежной и плоской, как прерия, пространственной и временной пустыни я введу сейчас одинокую фигуру. Обладающая выдающимся талантом и необыкновенно богатым воображением немецкая женщина-математик Эмми Нётер (1882–1935) родилась в Эрлангене, училась (вкусив при этом всю горечь мизогинистических предрассудков того времени) в Геттингене, а потом бежала от нацистского преследования в колледж Брин-Мор в Пенсильвании. Здесь она преждевременно скончалась, оставив богатое наследие абстрактных математических концепций и теорем. Норберт Винер, который и сам был знаменитым математиком, в 1935 году назвал ее «величайшей из всех когда-либо живших женщин-математиков». Ее гением был очарован Эйнштейн. Для моего рассказа – и для всей теоретической физики – она является абсолютно необходимой, можно сказать, центральной фигурой, – благодаря одной теореме, к которой она пришла в 1915 году и опубликовала парой лет позже. Я, разумеется, не смогу воспроизвести здесь техническую сторону ее аргументации, но вывод из теоремы формулируется очень просто. Эмми Нётер установила, что везде, где в природе имеется симметрия, есть и соответствующий ей закон сохранения[6]. Я дам развернутую интерпретацию этого утверждения и объясню, что подразумевается под законом сохранения, под симметрией и какое отношение между ними было установлено теоремой Нётер.

Под «законом сохранения» я буду понимать закон, в соответствии с которым в ходе происходящих в природе событий некоторая численная величина остается неизменной – «сохраняется». Об одном из таких законов я уже говорил – это закон сохранения энергии, и начну я снова с него.

* * *

Энергия – одно из понятий, которые широко используются в ежедневном дискурсе, но которые очень трудно точно определить и уверенно сказать, что же они в действительности собой представляют. Каждый рад о ней порассуждать, но как только появляется необходимость объяснить, что же это такое, тут же возникают затруднения. Этот термин вошел в физику в начале XIX столетия и оказался настолько удачным, что распространился на все области науки, потеснив многие другие понятия, например постоянно использовавшуюся Ньютоном более осязаемую и конкретную идею силы. Введение понятия энергии и реализация обнаружившегося у этой идеи мощного потенциала привели даже к тому, что пришлось заново переписать учебники. Сила – величина почти буквально осязаемая; энергия абстрактна. В этом источник ее значения, – ведь абстрактные концепции, вообще говоря, более широко применимы, чем конкретные. Абстрактные понятия – это как бы составленные из идей скелеты, которые можно одеть плотью наблюдательных фактов; конкретные концепции – изолированные интеллектуальные острова.

Происхождение слова «энергия» – от древнегреческого выражения, означающего «работать в помещении», – дает ключ к его пониманию. Энергия – способность производить работу. Такое «функциональное определение», может быть, не даст вам глубокого понимания действительной сущности энергии, но, по крайней мере, позволит вам распознавать ее присутствие: ведь о совершении работы всегда легко судить, так как при этом мы снова возвращаемся к осязаемому понятию силы. Работа есть процесс приведения предмета в движение против действующей на него силы – поднимаем ли мы вес, противодействуя силе тяжести, или используем батарею, чтобы пустить электрический ток в цепи. Чем больше имеется в запасе энергии, тем большее количество работы можно выполнить. Сжатая пружина содержит больше энергии, чем развернувшаяся: сжатая может совершить работу, а развернувшаяся нет. В баке с горячей водой больше энергии, чем в баке с холодной. Можно придумать механизм, который совершит работу за счет энергии горячей воды, но если вода остыла, этот механизм работать не сможет.

Есть разные виды энергии – кинетическая, то есть энергия движения; потенциальная, связанная с положением объекта, как, например, энергия, возникающая благодаря притяжению тела Землей; лучевая, то есть энергия, переносимая излучением, – например, тепло, идущее от Солнца, является движущей силой фотосинтеза и всего каскада его следствий, составляющих то, что мы называем биосферой [7]. Каждый вид энергии может быть преобразован в любой другой вид. Тем не менее в природе, оказывается, существует строгий закон: общее количество энергии во Вселенной постоянно. Если энергия одного вида расходуется, она должна превратиться в энергию другого вида или появиться в том же виде, но в другом месте. Знакомый всем пример такого постоянства – мяч, подброшенный вверх. Сначала в нем много кинетической энергии. По мере того, как он взлетает все выше и выше, преодолевая силу притяжения, его потенциальная энергия растет, а кинетическая падает. В высшей точке своей траектории мяч на миг оказывается в покое – в этот момент его кинетическая энергия нулевая, а вся его первоначальная энергия перешла в потенциальную. Как только он начинает падать обратно на землю, ускоряя при этом свое движение, его потенциальная энергия снова уменьшается, а кинетическая растет. На каждой стадии полета мяча, от начала до конца, его полная энергия, сумма кинетической и потенциальной, постоянна. Закон сохранения энергии подводит итог этого постоянства: он утверждает, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена.

В главе 1 я упоминал, что закон сохранения энергии настолько всеобъемлющ, что даже его кажущееся нарушение приводит к предсказанию и открытию новых фундаментальных частиц материи. Нильс Бор (1885–1962), датский физик-теоретик, создатель ранней версии квантовой механики, рассматривая непонятные результаты наблюдений только что открытых ядерных процессов, предположил, что здесь закон сохранения энергии все же нарушается. Но оказалось, что этого не происходило – энергию уносила ранее неизвестная частица, нейтрино, то есть «нейтрончик». Существование нейтрино предсказал