В этой главе мы проиллюстрировали использование квантовой физикой эксперимента с двухщелевой преградой. В следующей главе мы рассмотрим фейнмановскую формулировку квантовой механики на примере всей Вселенной. Мы увидим, что, подобно частице, Вселенная имеет не единственную историю, а все возможные истории, каждую со своей собственной вероятностью, а наши наблюдения ее текущего состояния влияют на ее прошлое и определяют различные истории Вселенной точно так же, как наблюдения за частицами в двухщелевом эксперименте влияют на прошлое частиц. Этот анализ покажет, как в результате Большого взрыва возникли законы природы в нашей Вселенной. Но прежде чем рассматривать, как возникают законы, мы немного поговорим о том, что же такое законы, а также о тех загадках, которые они влекут за собой.

5. Теория всего

Вселенная постижима, потому что ею управляют научные законы, то есть ее поведение можно смоделировать. Но каковы эти законы и модели? Первой силой (или фундаментальным взаимодействием в природе), описанной на языке математики, была гравитация. Закон всемирного тяготения Ньютона, опубликованный в 1687 году, гласит, что всякий объект во Вселенной притягивает любой другой объект с силой, пропорциональной его массе. Это произвело огромное впечатление на интеллектуальную среду той эпохи, поскольку впервые показало, что по крайней мере один аспект Вселенной может быть точно смоделирован. Кроме того, данный закон давал математический аппарат, позволяющий сделать это. Мысль, что существуют законы природы, породила проблемы, подобные тем, за которые около пятидесяти лет до этого Галилей был обвинен в ереси. Например, в Библии повествуется о том, как Иисус Навин умолил Бога остановить движение солнца и луны, чтобы продлить светлое время, и тем самым дать ему возможность завершить битву с амореями в Ханаане. Согласно книге Иисуса Навина, солнце остановилось почти на сутки. Сегодня мы знаем, что это означает остановку вращения Земли. Но если бы Земля остановилась, то, согласно законам Ньютона, все, не закрепленное на ней, продолжило бы движение с прежней скоростью (1100 миль в час на экваторе), — это была бы высокая цена за отложенный закат. Но Ньютона все это не волновало, поскольку, как мы упоминали, он считал, что Бог может вмешиваться и вмешивается в работу Вселенной.

Следующими аспектами Вселенной, для которых был открыт закон, или модель, стали электрические и магнитные силы (фундаментальные взаимодействия). Они ведут себя подобно гравитации, но с тем важным отличием, что два одноименных электрических заряда или два одноименных полюса магнита отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются. Электрическое и магнитное взаимодействия гораздо сильнее гравитационного, но мы обычно не замечаем их в повседневной жизни, так как макроскопические тела содержат примерно равное число положительных и отрицательных зарядов. Это означает, что электрические и магнитные взаимодействия между двумя макроскопическими телами сами себя уравновешивают, в отличие от гравитационных, которые всегда усиливаются, дополняя друг друга.

На развитие нашего современного понимания электричества и магнетизма ушло примерно сто лет, с середины XVIII до середины XIX века. В этот период физики разных стран проводили тщательные экспериментальные исследования электрических и магнитных сил. Одним из самых важных стало открытие взаимосвязи между электрическими и магнитными силами: движущийся электрический заряд порождает магнитную силу, а движущийся магнит порождает электрические заряды. Первым, кто обнаружил наличие определенной связи, был датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851). Готовясь к лекции, которую он должен был читать в университете в 1820 году, Эрстед заметил, что электрический ток от батареи, которую он использовал, отклоняет стрелку расположенного неподалеку компаса. Вскоре он понял, что движущееся электричество создает магнитную силу, и ввел термин «электромагнетизм». Несколько лет спустя британский ученый Майкл Фарадей (1791–1867) пришел к выводу, что — пользуясь современной терминологией — если электрический ток может порождать магнитное поле, то и магнитное поле должно порождать электрический ток. Он продемонстрировал это в 1831 году. А еще через четырнадцать лет Фарадей открыл связь между электромагнетизмом и светом, показав, что сильное магнитное поле может влиять на природу поляризованного света.

Фарадей не получил хорошего общего образования. Он родился близ Лондона, в семье бедного кузнеца. В возрасте тринадцати лет бросил школу, поскольку вынужден был пойти работать посыльным и переплетчиком в книжной лавке. Там на протяжении нескольких лет он занимался самообразованием, читая переплетаемые им научные труды, а в свободное время проводил дома простые и недорогие опыты. Со временем он получил место ассистента в лаборатории великого английского химика сэра Гемфри Дэви (1778–1829). Фарадей оставался в этой лаборатории в течение всех последующих сорока пяти лет, а после смерти Дэви занял его пост. Не получив достаточного образования по математике, Фарадей испытывал в ней затруднения, что создавало для него сложности в понимании теоретической картины тех странных электромагнитных явлений, которые он наблюдал в своей лаборатории. Тем не менее он во всем разобрался.

Одним из величайших интеллектуальных достижений Фарадея стала идея о силовых полях. В наши дни, благодаря книгам и фильмам о пучеглазых инопланетянах и их звездолетах, большинство людей знакомо с этим термином, так что Фарадею, пожалуй, причитается авторский гонорар. Но в течение столетий, прошедших от Ньютона до Фарадея, одной из великих загадок физики было то, что законы, казалось, свидетельствовали: силы могут действовать через пустое пространство, разделяющее объекты. Фарадею это не нравилось. Он считал, что для приведения объекта в движение нечто должно войти с ним в контакт, и потому предположил, что пространство между электрическими зарядами, как и между полюсами магнита, заполнено невидимыми силовыми линиями — упругими трубками, изменение натяжения которых способно физически осуществлять притягивание или отталкивание. Совокупность этих трубок Фарадей назвал силовым полем. Хорошим способом для визуализации силового поля служит демонстрационный школьный опыт, при котором плоское стекло кладут на стержневой магнит, а поверх стекла насыпают железные опилки. После нескольких потряхиваний, необходимых, чтобы преодолеть трение, опилки начинают двигаться, как будто их толкает невидимая сила, и выстраиваются в форме дуг, протянувшихся от одного полюса магнита к другому. Этот рисунок дает картину невидимой магнитной силы, пронизывающей пространство. Сегодня мы считаем, что все силы передаются полями. Это важная концепция современной физики, как, впрочем, и научной фантастики.

В течение нескольких десятилетий наше понимание электромагнетизма оставалось без развития и ограничивалось знанием нескольких эмпирических законов: мы догадывались, что электричество и магнетизм тесным, хотя и загадочным, образом связаны; понимали, что они имеют какое-то отношение к свету; имелось первичное понятие о силовых полях. Существовало по меньшей мере одиннадцать теорий электромагнетизма, и ни одна из них не оказалась удовлетворительной. Затем, в 1860-х годах, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) за несколько лет развил взгляды Фарадея в математическую структуру, которая объяснила глубинную и загадочную взаимосвязь между электричеством, магнетизмом и светом. В результате был получен набор уравнений, описывающих электрическую и магнитную силы как проявление одной и той же физической сущности — электромагнитного поля. Максвелл объединил электричество и магнетизм в одну силу. Более того, он доказал, что электромагнитные поля могут распространяться в пространстве в виде волн. Скорость этих волн определяется числом, вытекающим из его уравнений, которые он вывел на основе своих экспериментальных данных, полученных несколькими годами ранее. К удивлению ученого, рассчитанная им скорость совпала со скоростью света, которую тогда знали по экспериментальным определениям, с точностью в один процент. Так Максвелл открыл, что свет представляет собой электромагнитную волну.