Читаем Гравитация онлайн бесплатно

Я хотел бы сказать спасибо людям, которые помогали мне, вдохновляли и поддерживали меня во время работы над этой книгой. Это Карен, Беа Хеммин, Фелисити Брайан, Пол Мерфи, Мишель Тофам, Манжит Кумар, Томас Левенсон, Дэвид Тонг, Энди Гамильтон, Ли Смолин, Нима Аркани-Хамед, Джон Инглиш, Тэш Оу, Грэм Фармело, Дэвид Берман, Геннадий Горелик, Нил Турок, Нил Белтон, Брайан Мей, Джулия Бейтсон, Ник Бут, Джонатон Таллет, Дэниэл Таллет, Хосе Тейт, Барбара Брайтон-Пелл, Патрик О’Хэллоран, Сью Нойс, Грэм Нойс, Брайан Чилвер, Пэт Чилвер, Жан Дайк, а также Аманда, Сэм, Грейс и Роб Кейпуэллы.

Гравитация создаёт притяжение между вами и монетками у вас в кармане или между вами и прохожим на улице.

Гравитация ужасно слабая. Если вы вытянете руку, то напряжение ваших мышц окажется сильнее, чем гравитация всей Земли.

Несмотря на её слабость, гравитации в большом масштабе нельзя противостоять. Она контролирует эволюцию и судьбу всей Вселенной.

Многие считают, что гравитация — это полная ерунда. В большей части Вселенной так оно и есть.

Если бы гравитация не «включилась» после Большого взрыва, у времени не было бы направления.

Только постигнув гравитацию, можно ответить на самый важный вопрос: как появилась Вселенная?

В Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон, расположены лазерные установки длиной по 4 километра. Четырнадцатого сентября 2015 года в 05:51 по летнему восточному времени по установке в Ливингстоне прошла дрожь. Через 6,9 миллисекунды она достигла установки в Хэнфорде. Ошибки быть не могло: через обе установки прошла гравитационная волна, рябь на поверхности самой ткани пространства-времени, предсказанная Эйнштейном почти 100 лет назад.

В одной далёкой-далёкой галактике во времена, когда Землю населяли лишь бактерии, две огромные чёрные дыры сделали последний оборот в своём смертельном танце и слились в поцелуе. Масса, равная массе трёх солнц, исчезла в секунду, подняв цунами в пространстве-времени. Волна двигалась со скоростью света, и в какой-то момент её мощность в 50 раз превысила мощность всех звёзд во Вселенной.

Когда двойные детекторы Лазерно-интерферометрической обсерватории гравитационных волн (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) 14 сентября 2015 года засекли гравитационные волны, это стало эпохальным моментом в истории науки. Представьте, что вы были глухи от рождения, а однажды утром проснулись с идеальным слухом. То же чувствовали в тот момент физики и астрономы. В течение всей нашей истории мы лишь наблюдали Вселенную, а теперь смогли услышать её. Гравитационные волны — это голос космоса. Я почти не преувеличу, если скажу, что их открытие стало самым важным достижением в астрономии с момента изобретения телескопа в 1608 году.

Гравитационные волны доказывают, что пространство-время существует на самом деле, что оно может вздрагивать и сжиматься, распространяя рябь, как от камня, брошенного в пруд. Его существование окончательно доказывает гипотезу Эйнштейна о том, что гравитация представляет собой искривлённое пространство-время. Ньютон считал, что «сила» гравитации идёт от Солнца и опутывает Землю как невидимая эластичная сеть. Эйнштейн же полагал, что вокруг Солнца пространство-время продавливается и Земля вращается по этой впадине бесконечно, как шарик по огромной рулетке.

Несмотря на то что теория Ньютона очень успешно объяснила движение планет, природу приливов и отливов и даже предсказала существование тогда ещё неведомого мира (планеты Нептун), теория Эйнштейна сумела найти ответ на загадку аномального движения Меркурия и описала наличие чёрных дыр, а также Большой взрыв, из которого родилась Вселенная. Тем не менее в теории Эйнштейна, как и до неё в теории Ньютона, содержатся зачатки её собственной гибели. Согласно ей, и в центрах чёрных дыр, и в момент зарождения Вселенной должны были существовать сингулярности, в которых все физические параметры имеют бесконечно высокие значения.

Забавно, что первая сила, описанная наукой, та, которую мы считаем уже давно понятной человечеству, на самом деле изучена хуже всего. Говоря словами Уинстона Черчилля, гравитация — это «тайна внутри загадки, обёрнутая в секрет».

В начале XXI века мы стоим на пороге новой революции. Поиск более эффективной теории, чем теория Эйнштейна, — квантовой теории гравитации — одно из величайших предприятий, за которые когда-либо бралась физика. Но мы уже видим перед собой далёкое завораживающее мерцание нового мира. Возможно, новый Ньютон или Эйнштейн прямо сейчас ждёт своего часа и уже начинает собирать фрагменты головоломки в единое целое. Или, что более вероятно, чтобы сложить её, потребуются совместные усилия десятков людей. Многие учёные полагают, что мы стоим на пороге гигантского сдвига в нашем представлении о реальности, большего, чем когда-либо происходил с человечеством.

Сможем ли мы создавать гиперпространственные двигатели и машины времени, когда появится эта теория? Даст ли она нам возможность манипулировать пространством и выходить в параллельные Вселенные? Никто не может этого предвидеть, как в эпоху до открытия электричества нельзя было предсказать появление телевизоров, телефонов и Интернета. Но мы знаем наверняка: когда эта теория будет сформулирована, мы сможем ответить на самые важные научные вопросы на свете. Что такое пространство? Что такое время? Что такое Вселенная? И откуда это всё появилось?

Но я забегаю вперёд. Сегодня мы стоим на краю обрыва, и перед нами до горизонта расстилаются земли неисследованной физики. Но как мы здесь оказались? Всё началось с 22-летнего парня по имени Исаак Ньютон в чумном 1666 году…

Примечание автора

Хочу сказать пару слов о пояснениях, которые читатели найдут после заключительной главы этой книги. Одни из них — это отступления от темы, которые могли бы слишком усложнить основной текст. Другие же дополняют объяснения, приведённые в тексте, иногда с использованием технических терминов. А некоторые представляют собой ссылки на книги и статьи, где вы можете более подробно прочесть о теме, затронутой в тексте.

— Итак, мистер Ньютон, как вам в голову пришла идея закона всемирного тяготения?

Разговор происходит в саду усадьбы Вулсторп спустя полвека после знаменательного события. Через стол от пожилого натурфилософа, о котором сегодня говорят все, сидит юный священник и археолог Уильям Стьюкли, взявший на себя тяжёлый труд написать первую биографию Исаака Ньютона. Где-то в саду журчит ручей, а в поле за оградой то и дело блеют ягнята. На густую траву перед ними садится ворон, что-то склёвывает с земли и улетает прочь.

Старик раздумывает над вопросом, отбрасывает свои длинные седые волосы с лица и произносит

— Мистер Стьюкли, видите вон то дерево?

— Вижу.

— Одним тёплым весенним днём 1666 года — погода стояла почти как сегодня — я сидел на этом самом месте со своими записями, и тут с дерева упало яблоко…

Великие люди создают свои легенды сами. Историю о яблоке Ньютон рассказал своему биографу уже под конец жизни в саду усадьбы Вулсторп, Линкольншир. «День был тёплый, поэтому после обеда мы отправились в сад выпить чаю в тени яблонь, — пишет Стьюкли в своих “Воспоминаниях о жизни сэра Исаака Ньютона”, опубликованных в 1752 году. — Он рассказал мне, что идея гравитации пришла ему в голову как раз в подобных обстоятельствах. Её вызвало к жизни упавшее яблоко, которое он увидел, когда размышлял в саду. “Почему яблоко всегда перпендикулярно падает на землю?” — задумался он...».[3]

Однако Ньютон ни разу не упоминал о падающих яблоках в течение полувека после открытия закона всемирного тяготения. Произошло ли это на самом деле? Или Ньютон знал, что дни его научного творчества прошли, и заботился о своём наследии, а потому понял, что эта история запомнится потомкам и обеспечит ему бессмертие? В день смерти Стива Джобса, основателя компании Apple, кто-то написал в «Твиттере»: «Мир изменили три яблока: яблоко Адама, яблоко Ньютона и яблоко Стива».[4]

Неизвестно, что заставило Ньютона провести эту важнейшую связь между землёй и небом, силой притяжения, удерживающей Луну возле Земли, и силой притяжения, заставляющей яблоко упасть. Всё, что мы знаем, — это что закон всемирного тяготения Ньютона родился в ужасное время, которое ярко описывает Даниэль Дефо в «Дневнике чумного года».[5]

В августе 1665 года в Лондоне свирепствовала бубонная чума. Страх заражения был так велик, что в Кембридже, в 90 километрах к северо-востоку, закрыли университет. Никому не известному 22-летнему студенту Ньютону пришлось то пешком, то на повозках возвращаться на семейную ферму в Вулсторпе. В течение полутора лет он жил там без какого-либо контакта с окружающим миром и за это время не просто открыл закон всемирного тяготения, а изменил лицо современной науки.

Исаак Ньютон родился на Рождество в 1643 году. Несмотря на такую символичную дату, «особенный» младенец был таким крошечным, что мог поместиться в кружку из-под кварты[6] пива, и таким слабым, что родные предсказывали ему смерть через несколько дней.[7]

Отец Ньютона умер за три месяца до его рождения, и мать осталась практически без средств к существованию. Когда мальчику исполнилось три года, она приняла предложение руки и сердца от богатого священника почти в два раза старше её. Тому требовалась жена, но не пасынок, поэтому мать Ньютона переехала в приход к новому мужу в соседнюю деревню, оставив сына на попечение бабки с дедом. Ньютон ненавидел эту замену родителей и позднее в своём дневнике признавался, как «угрожал матушке и отцу Смитам сжечь их вместе с их домом».

Через восемь лет муж матери Ньютона умер, и она вернулась в усадьбу Вулсторп вместе со сводными для своего сына братом и двумя сёстрами. Но к тому моменту слепая ярость от того, что мать его покинула, уже ярко разгорелась в душе Ньютона и так и не погасла до конца жизни.

Так как Ньютон был наследником семейной фермы, ему запрещали играть с «простыми» детьми крестьян. Исааку приходилось занимать себя самому, и он был одиноким ребёнком, затерянным в дебрях собственного воображения, постоянно что-то строящим и исследующим мир вокруг. Он создавал модели мостов и мельниц, вырезал солнечные часы и следил за движением их тени — час за часом, день за днём, с зимы до осени.

Семья оценила исключительные способности Ньютона и, когда ему было 12, нашла деньги, чтобы отправить его в королевскую школу в Грантеме. Расстояние между городом и фермой составляло тринадцать километров, и мальчик не смог бы проходить столько каждый день, так что его определили на постой к местному аптекарю. Теперь Ньютон был отрезан и от собственной семьи и чувствовал себя в ещё большей изоляции. Однако его взял под крыло директор школы, который особо интересовался математикой. Распознав в Ньютоне исключительный талант, он научил мальчика всему, что знал сам.

В 1659 году, когда Ньютону исполнилось 16, мать потребовала, чтобы он вернулся в Вулсторп и стал хозяином усадьбы со всеми её лесами, ручьями, ячменными полями и пасущимися овцами. Но Ньютон проводил своё время на семейной ферме за чтением книг и сбором трав.[8] Пока его овцы портили посевы соседей, он строил водяные мельницы. Позволив своему стаду свиней зайти на чужую землю, он даже не удосужился починить заграждение, за что получил штрафы от суда.[9] Ко всеобщему (включая и самого Ньютона) счастью, на следующий год он вернулся в грантемскую школу.

Ещё одним человеком, признававшим за Ньютоном необычные способности, был его дядя по материнской линии. Он служил приходским священником, получившим духовное образование в Кембридже, и в 1661 году помог своему 18-летнему племяннику занять место в университете. В то время Кембридж был всего лишь грязной деревенькой. Ньютон оплачивал учёбу в качестве «субстипендиата», прислуживая более богатым студентам, выполняя их поручения и доедая их объедки. В январе 1665 года начальный этап обучения закончился и ему присвоили степень бакалавра искусств.

Нам мало известно о том, каким Ньютон был в студенчестве. Судя по всему, он ни в чём себя не проявлял, как впоследствии и его последователь Альберт Эйнштейн. Тем не менее он упорно изучал математику и другие науки и поглощал труды греческих философов. Самое важное, однако, заключалось в критичности его подхода к чтению. Ньютон писал в своём дневнике: «Платон мне друг и Аристотель мой друг тоже, но мой лучший друг — истина».

Когда в 1665 году Ньютон снова вернулся в Вулсторп, стояло лето и воздух был наполнен жужжанием насекомых и пением птиц. Картина была столь идиллической, что трудно было поверить, будто всего в 160 километрах отсюда, в Лондоне, люди падали замертво на улицах. Они дрожали в ознобе и лихорадке, страдали от судорог и болей в конечностях, кто-то хватал ртом воздух, кто-то кашлял кровью. В подмышках и паху у них надувались бубоны — это чумные бактерии размножались в их лимфатических узлах. Вспышка чумы унесла тогда более 100 000 душ — четверть всего населения Лондона. Их тела увозили на повозках и без всяких церемоний сбрасывали в общие могилы.[10]