Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности
Пространство и время будоражат воображение учёных как никакие другие идеи в науке. Причина понятна. Они образуют арену реальности, формируют самую ткань космоса. Само наше существование — всё, что мы делаем, думаем и чувствуем — происходит в некоторой области пространства и в течение некоторого интервала времени. Однако наука до сих пор пытается понять, что на самом деле представляют собой пространство и время. Являются ли они реальными физическими сущностями или лишь полезными идеями? Если они реальны, то фундаментальны ли они или же возникают из более первичных конституэнтов? Что означает для пространства быть пустым? Есть ли начало у времени? Есть ли у времени стрела, неумолимо направленная из прошлого в будущее, как подсказывает повседневный опыт? Можем ли мы влиять на пространство и время? В этой книге мы проследим трёхсотлетние попытки пылкой научной мысли дать ответы (или намёки на ответы) на эти фундаментальные и глубокие вопросы о природе мироздания.
В нашем путешествии мы неоднократно столкнёмся и с другим вопросом, одновременно и всеобъемлющим, и ускользающим: что есть реальность? Мы, человеческие существа, имеем доступ только к нашему внутреннему опыту ощущений и мысли, поэтому как мы можем быть уверены, что они истинно отражают внешний мир? Философы уже давно осознали эту проблему. Режиссёры популяризуют эту тему с помощью сюжетов, наполненных вымышленными мирами, порождёнными изысканными нейрологическими симуляциями, которые существуют только в умах их героев. А физики, к которым отношусь и я, остро чувствуют, что видимая реальность — материя, эволюционирующая на фоне пространства и времени, — может оказаться совсем непохожей на ту, другую реальность, лежащую за пределами видимого (если она существует). Однако, поскольку наблюдения — это всё, что у нас есть, мы принимаем их всерьёз. Вместо неограниченного воображения или необузданного скептицизма мы выбираем в качестве проводника надёжные данные и математику и ищем наиболее простые, однако самые многообещающие теории, способные объяснить и предсказать результаты современных и будущих экспериментов. Это сильно ограничивает искомые теории. (Например, в этой книге вы не найдёте и намёков на то, что я плаваю в баке с водой, подключённый проводами к тысяче мозговых стимуляторов, которые заставляют меня просто думать, что я сейчас пишу этот текст.) Но за последние сто лет открытия в физике заставляют нас пересмотреть обыденное отношение к реальности, и это так ошеломляет, захватывает и потрясает все устои, как самая невероятная научная фантастика. Об этой революции идей и пойдёт речь на страницах этой книги.
Многие из исследуемых вопросов суть те же самые, что на протяжении веков являлись в разных ипостасях и заставляли напрягаться умы Аристотеля, Галилея, Ньютона, Эйнштейна и многих других. И поскольку в этой книге мы описываем науку в становлении, мы прослеживаем эти вопросы так, как они были поставлены одним поколением, ниспровергнуты их последователями и уточнены и переосмыслены учёными последующих поколений.
Например, при ответе на нетривиальный вопрос — является ли абсолютно пустое пространство, как чистое полотно, реальной сущностью или просто отвлечённой идеей? — мы следуем за маятником научной мысли: Исаак Ньютон в XVII в. утверждал, что пространство реально; потом маятник качнулся вспять, и Эрнст Мах сказал, что нет, не реально; а в XX в. Эйнштейн ошеломляюще переформулировал саму суть вопроса, слив воедино пространство и время, в значительной мере опровергнув Маха. Затем мы следуем за новыми открытиями, которые снова переиначивают вопрос, переопределяя понятие «пустоты», говоря, что пространство неизбежно заполнено так называемыми квантованными полями и, возможно, однородно распределённой энергией, называемой космологической постоянной, — современным отголоском старого и дискредитированного понятия «эфир», который заполняет всё пространство. А затем мы расскажем читателю, как грядущие космические эксперименты могут подтвердить некоторые выводы Маха, которые согласуются с общей теорией относительности Эйнштейна, являя собой захватывающий образец запутанной паутины научного исследования.
В наши дни мы находим обнадёживающие результаты инфляционной космологии относительно понимания стрелы времени; богатый выбор предложений дополнительных измерений в теории струн; поразительное предположение М-теории о том, что наша Вселенная — всего лишь щепка, плавающая в более масштабном космосе; широко обсуждаемую идею о том, что наблюдаемая нами Вселенная может оказаться лишь голограммой. Мы пока не знаем, справедливы ли наши последние научные теории. Но как бы дико они не звучали, мы относимся к ним серьёзно, ибо именно сюда нас привёл непрерывный и непреклонный поиск глубинных законов природы. Непонятная и необычная реальность ждёт нас не только на изобильной стезе научной фантастики. Она рождается на острие современных открытий физической науки.
Книга «Ткань космоса» предназначена в основном для широкого круга читателей, не имеющих особой научной подготовки, но обладающих стремлением понять устройство мироздания, что поможет им преодолеть трудности на пути понимания сложных и нетривиальных концепций. Как и в моей первой книге «Элегантная Вселенная», я старался придерживаться сути научных идей, опуская математические описания и заменяя их метафорами, аналогиями, рассказами и иллюстрациями. Когда мы подходим к самым сложным разделам, я предупреждаю об этом читателя и предлагаю короткую аннотацию для тех, кто решит только пролистать эти сложные места или вообще их опустить. Таким образом, читатель сможет пройти путём открытий и получить не только набор знаний о последних идеях в физике, но и понимание того, как и почему та или иная идея получила право на жизнь.
Студенты, просто любители науки, учителя и учёные-профессионалы также почерпнут много интересного из этой книги. Хотя в начальных главах обсуждаются необходимые, но стандартные основополагающие вопросы из теории относительности и квантовой механики, довольно необычным будет акцент на реальности понятий пространства и времени. В следующих главах речь идёт о разном — теореме Белла, экспериментах с задержанным выбором, квантовых измерениях, ускоренном расширении Вселенной, возможности получения чёрных дыр на ускорителях следующего поколения, создании удивительной машины времени, основанной на идее кротовых нор. Это лишь некоторые из обсуждаемых идей, которые познакомят читателя с самыми захватывающими и обсуждаемыми сейчас научными достижениями.
Некоторая часть излагаемого материала является спорной. Если идея ещё висит в воздухе и по поводу неё нет общепринятого мнения, я излагаю в основном тексте взгляды, считающиеся доминирующими в научном мире. По спорным вопросам в приложения вынесены различные точки зрения, для которых, как мне кажется, консенсус достигается в наибольшей степени. Некоторые учёные, особенно те, идеи которых разделяет меньшинство, будут возражать против моих суждений, но я старался нарисовать сбалансированную картину. В приложениях особо усердный читатель найдёт более полные объяснения и предостережения относительно вопросов, которые я упростил, а также (для желающих) краткие математические дополнения к бесформульному описанию в основном тексте. Краткий глоссарий даёт пояснение к некоторым специальным научным терминам.
Даже книга такого объёма не может охватить столь фундаментальные и всеобъемлющие понятия, как пространство и время. Я сосредоточил внимание на тех идеях, которые являются одновременно и увлекательными, и важными для формирования полной картины реальности, создаваемой современной наукой. Конечно, выбор материала отражает мои личные вкусы, и я приношу извинения тем, кто считает, что их личный вклад или область их интересов не нашли должного отражения в книге.
Источник
Ткань Космоса — The Fabric of the Cosmos
Ткань космоса: пространство, время и фактура реальности
Автор
Брайан Грин
Страна
Соединенные Штаты
Язык
английский
Предмет
Теоретическая физика , космология , теория струн
Жанр
Нехудожественная литература
Издатель
Альфред А. Кнопф
2004 г.
Тип СМИ
Распечатать
Страницы
569
ISBN
0-375-41288-3
OCLC
52854030
523,1 22
Класс LC
QB982 .G74 2004
Предшествует
Элегантная Вселенная
С последующим
Икар на краю времени
«Ткань космоса: пространство, время и текстура реальности» (2004) — вторая книга по теоретической физике , космологии и теории струн, написанная Брайаном Грином , профессором и содиректором Колумбийского института струн, космологии и теории струн. Физика астрономических частиц (ISCAP).
Содержание
Введение
Грин начинает с ключевого вопроса: «что такое реальность ?» Или, более конкретно, «что такое пространство-время ?» Он намеревается описать особенности, которые он считает захватывающими и важными для формирования полной картины реальности, нарисованной современной наукой . Практически в каждой главе Грин вводит базовые концепции, а затем медленно достигает кульминации, обычно это научный прорыв. Затем Грин пытается установить связь со своим читателем, предлагая простые аналогии, чтобы помочь объяснить значение научной концепции без чрезмерного упрощения лежащей в ее основе теории.
В предисловии Грин признает, что некоторые части книги вызывают споры среди ученых . Он обсуждает основные точки зрения в основном тексте и спорные моменты в примечаниях. Сноски содержат более полные пояснения пунктов, которые упрощены в основном тексте.
Резюме
Часть I: Арена реальности
Основное внимание в Части I уделяется пространству и времени .
Глава 1, « Дороги к реальности », знакомит с тем, что будет дальше в книге, например, обсуждениями классической физики , квантовой механики и космологической физики .
В главе 2 « Вселенная и ведро » ключевым моментом является космос. Вопрос, заданный Грином, звучит так: « Является ли пространство человеческой абстракцией или это физическая сущность ?» Ключевой мысленный эксперимент — это вращающееся ведро с водой , призванное заставить задуматься о том, что создает силу, ощущаемую внутри ведра, когда оно вращается. Подробно обсуждаются идеи Исаака Ньютона , Эрнста Маха и Готфрида Лейбница об этом мысленном эксперименте.
Глава 3 « Относительность и Абсолют » посвящена пространству-времени . Теперь возникает вопрос: «Является ли пространство-время абстракцией Эйнштейна или физической сущностью?» В этой главе обсуждаются концепции как специальной теории относительности, так и общей теории относительности , а также их важность для значения пространства-времени.
В главе 4 « Запутывающее пространство » Грин исследует революцию квантовой механики, сосредотачиваясь на том, что означает для объектов быть отдельными и отличными во вселенной, продиктованной квантовыми законами. В этой главе изучается квантовая механика, включая концепции волн вероятности и интерференционных паттернов , спина частиц , эксперимента с двойной щелью фотона и принципа неопределенности Гейзенберга . Читатель также узнает о проблемах, которые ставят перед квантовой механикой Альберт Эйнштейн , Борис Подольский и Натан Розен .
Часть II: Время и опыт
Часть II начинается с рассмотрения вопроса о том, что время — это очень знакомая концепция, но это одна из наименее понятных концепций человечества .
В главе 5 « Замерзшая река » рассматривается вопрос «течет ли время?» Один из ключевых моментов в этой главе касается специальной теории относительности. Наблюдатели, движущиеся относительно друг друга, имеют разные представления о том, что существует в данный момент, и, следовательно, они имеют разные представления о реальности. Вывод таков: время не течет, поскольку все вещи одновременно существуют в одно и то же время.
Глава 6, « Случайность и стрела », спрашивает: « Есть ли у времени стрела ?» Читатель обнаруживает, что законы физики применимы как при движении вперед во времени, так и назад во времени. Такой закон называется симметрией обращения времени . Одна из основных тем этой главы — энтропия . Даются различные аналогии, чтобы проиллюстрировать, как работает энтропия, и ее очевидные парадоксы . Кульминацией главы является взаимосвязь между энтропией и гравитацией , а также то, что начало Вселенной должно быть состоянием минимальной энтропии .
В главах 5 и 6 время объясняется только в терминах предшествующей физики. Глава 7, « Время и квант », дает представление о природе времени в квантовой сфере . Вероятность играет важную роль в этой главе, потому что это неотъемлемая часть квантовой механики. Мы снова возвращаемся к эксперименту с двойной щелью, чтобы раскрыть факты о прошлом. В этой главе представлены многие другие эксперименты, например эксперимент с квантовым ластиком отложенного выбора . Вниманию читателя предлагаются другие важные вопросы, такие как квантовая механика и опыт, а также квантовая механика и проблема измерения . Наконец, в этой главе рассматривается важная тема декогеренции и ее значение для макроскопического мира.
Часть III: Пространство-время и космология
Часть III посвящена макроскопической сфере космоса .
В главе 8 « О снежинках и пространстве-времени » читателю рассказывается, что история Вселенной на самом деле является историей симметрии . Симметрия и ее важность для космической эволюции становятся предметом внимания этой главы. Опять же, общая теория относительности рассматривается как растягивающаяся ткань пространства-времени. Космология, симметрия и форма пространства сочетаются по-новому.
Глава 9 « Испарение вакуума » знакомит с теоретической идеей бозона Хиггса . В этой главе основное внимание уделяется критической первой доле секунды после Большого взрыва , когда считалось, что степень симметрии во Вселенной резко изменилась в результате процесса, известного как нарушение симметрии . Эта глава также вводит в игру теорию великого объединения, и мы возвращаемся к энтропии.
Глава 10, « Деконструкция взрыва », делает инфляционную космологию основным вопросом. Учитываются общая теория относительности и открытие темной энергии (отталкивающая гравитация), а также космологическая постоянная . Решены некоторые проблемы, возникающие из-за стандартной теории Большого взрыва, и даны новые ответы с помощью инфляционной космологии. Такие проблемы включают в себя проблему горизонта и проблемы плоскостности . Также обсуждается распределение материи в космосе, включая концепции темной материи и темной энергии.
Глава 11 « Кванта в небе с бриллиантами » продолжает тему инфляции, и снова обсуждается стрела времени. В этой главе рассматриваются три основных события: формирование таких структур, как галактики , количество энергии, необходимое для появления Вселенной, которую мы сейчас видим, и происхождение стрелки времени.
Часть IV: Истоки и объединение
Часть IV посвящена новым теоретическим аспектам физики, особенно в авторской области.
Глава 12 « Мир на струне » информирует читателя о структуре ткани пространства согласно теории струн . Вводятся новые концепции, включая планковскую длину и планковское время , а также пересматриваются идеи из «Элегантной Вселенной» . Читатель узнает, как теория струн может заполнить пробелы между общей теорией относительности и квантовой механикой.
Глава 13 « Вселенная на бране » развивает идеи из главы 12, в частности, М-теории , ветвью которой является теория струн. Эта глава посвящена размышлениям о пространстве и времени. Представлены идеи ряда физиков, включая Эдварда Виттена и Поля Дирака . В центре внимания главы становится гравитация и ее участие в дополнительных измерениях. Ближе к концу главы краткий раздел посвящен циклической модели .
Часть V: Реальность и воображение
Часть V посвящена многим теоретическим концепциям, включая пространство и путешествия во времени .
Глава 14, « Вверху на небесах и внизу на Земле », посвящена различным экспериментам с пространством и временем. Предыдущие теории, такие как теория Хиггса, суперсимметрия и теория струн , заимствованы из предыдущих глав . Планируемые на будущее эксперименты описаны в попытке проверить многие обсуждаемые теоретические концепции, включая составляющие темной материи и темной энергии, существование бозона Хиггса и подтверждение дополнительных пространственных измерений.
Глава 15, « Телепорты и машины времени », рассказывает о путешествиях в пространстве и времени с использованием интригующих методов. Квантовая механика возвращается в картину, когда читатель сталкивается с телепортацией . Возникают загадки путешествия во времени, например, идея путешествия во времени в прошлое возможна. В конце главы рассматриваются кротовые норы и лежащая в их основе теория.
Глава 16 « Будущее намеков » посвящена черным дырам и их связи с энтропией. Основная идея этой главы состоит в том, что пространство-время не может быть фундаментальным строением ткани Вселенной.
Прием
«Ткань космоса» стала самой популярной научной книгой среди клиентов Amazon.com в 2005 году и вошла в список бестселлеров по версии New York Times — с момента публикации 10 февраля 2004 года она 10 раз появлялась в 15-м рейтинге документальной литературы. достигнув пика под номером 3 4 апреля, прежде чем исчезнуть из списка 9 мая. С первым тиражом 125 000 и в качестве основного выбора Клуба Книги месяца , Кнопф ожидал, что он преуспеет. По состоянию на январь 2020 года книга имела средний рейтинг рецензентов 4,6 звезды (из 5), при этом 400 из 560 рецензентов дали ей 5 звезд.
Приспособление
NOVA сняла документальное продолжение популярной адаптации Elegant Universe по одноименной книге The Fabric of the Cosmos . Сериал ведет Грин и включает комментарии многих других известных физиков, таких как Макс Тегмарк и другие.
Этот документальный сериал состоит из 4 серий (5–8 сезона 39 , 2011–2012 гг.) Телесериала «Нова»:
