Текст книги "Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности"
Автор книги: Брайан Грин
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 52 страниц)
Относительность пространства и времени – потрясающий вывод. Я знаю об этом более двадцати пяти лет, но даже сейчас, когда я спокойно сижу и размышляю над этим, я изумляюсь. Из банального утверждения о постоянстве скорости света мы приходим к выводу, что пространство и время зависят от наблюдателя. С каждым из нас связаны собственные часы, свой монитор течения времени. Часы каждого из нас точны, и всё же они показывают разное время, когда мы двигаемся друг относительно друга. Они перестают быть синхронными; они показывают различное время, прошедшее между двумя данными событиями. То же самое относится и к расстоянию. С каждым из нас связана собственная линейка, свой монитор пространственных промежутков. Все линейки точны, и всё же они не согласуются, когда мы двигаемся друг относительно друга; они дают разное расстояние между положениями двух заданных событий. Если бы пространство и время не вели себя таким образом, то скорость света не была бы постоянной и зависела бы от состояния движения наблюдателя. Но скорость света действительнопостоянна; пространство и время действительноотносительны. Пространство и время «подстраиваются» под наблюдателя таким образом, что для всех наблюдателей, независимо от скорости их движения, скорость света остаётся одной и той же.
Получить количественные данные, как в точности результаты измерений пространства и времени зависят от движения, несколько сложнее, однако эти алгебраические выкладки вполне под силу старшеклассникам. Отнюдь не математические сложности делают специальную теорию относительности Эйнштейна нелёгкой для понимания. Эта теория трудна из-за того, что её идеи чужды нашему повседневному опыту и выглядят явно не согласующимися с ним. Но как только Эйнштейн осознал, что необходимо порвать с более чем двухсотлетними ньютоновскими представлениями о пространстве и времени, дальнейшее было уже гораздо проще. Эйнштейн смог показать, как в точности результаты измерений расстояний и промежутков времени должны зависеть от скорости наблюдателя, чтобы любой наблюдатель получал одну и ту же скорость света. {20}
Чтобы лучше понять то, что открыл Эйнштейн, представим, что Барт, скрипя зубами, выполнил требование снять атомный двигатель со своего скейтборда, и сейчас его максимальная скорость составляет 120 км/ч. Если с этой скоростью он направится сначала строго на север, а затем свернёт на трассу, идущую на северо-восток, то его скорость в северном направлении станет меньше120 км/ч. Причина этого ясна. Первоначально вся скорость была «приложена» к северному направлению, но после того как Барт свернул на другую трассу, часть его скорости «отвлекается» на восточное направление, так что скорость движения на север уменьшается. Это очень простое соображение позволит нам ухватить основное положение специальной теории относительности. Вот что получается:
Мы привыкли к тому, что объекты могут двигаться в пространстве, но ведь есть и другой, не менее важный тип движения – движение во времени. Часы у вас на руке и ходики на стене тикают, неумолимо показывая, что вы и всё вокруг вас беспрестанно движется во времени, секунда за секундой. Ньютон считал, что движение во времени полностью отделено от движения в пространстве, – он думал, что эти два типа движения не имеют ничего общего друг с другом. Но Эйнштейн открыл, что они связаны между собой самым тесным образом. В действительности, революционноеоткрытие специальной теории относительности состоит в следующем: когда вы смотрите на объект, который с вашей точки зрения покоится (например, припаркованный автомобиль), он не двигается только в пространстве, и всёего движение происходит во времени. Автомобиль, водитель, улица, вы сами, ваша одежда – всё движется во времени совершенно синхронным образом, секунда за секундой. Но если автомобиль набирает скорость, то часть его движения во времени переводитсяв движение в пространстве. И подобно тому как скорость Барта в северном направлении уменьшилась, после того как он перевёл некоторую часть скорости на восточное направление, то и скорость автомобиля во временизамедляется, когда он переводит часть своего движения во времени в движение в пространстве. Это означает, что время течёт медленнее для движущегося автомобиля и его водителя по сравнению с ходом времени неподвижных объектов.
В этом, в двух словах, и состоит суть теории относительности. Подчеркнём ещё только одну важную деталь – ограничение скорости, составившее в случае Барта величину 120 км/ч. Это ограничение действительно важно, ведь в противном случае Барт мог бы увеличить скорость своего скейтборда после поворота на север-восток, и тем самым он бы скомпенсировал потерю скорости в северном направлении. Но правила есть правила: полная скорость движения, состоящего из движений в северном и восточном направлении, не должна превышать 120 км/ч. Так что, отклоняясь хотя бы чуть-чуть на восток, Барт неизбежно теряет скорость в северном направлении.
Специальная теория относительности устанавливает аналогичный закон для всего движения: полная скорость движения любого объекта в пространстве и во времени всегда в точности равна скорости света. Сначала вы можете инстинктивно отшатнуться от этого утверждения, поскольку мы приучены к положению, что только свет может путешествовать со скоростью света. Но эта обычная идея относится только к движению в пространстве. Теперь же мы говорим о чём-то похожем, но более богатом: о полномдвижении объекта в пространстве-времени. Ключевой факт, открытый Эйнштейном, состоит в том, что эти два типа движения всегда дополнительны по отношению друг к другу. Когда припаркованный автомобиль отъезжает со стоянки, часть его движения со скоростью света перенаправляется из движения только во времени в движение в пространстве, но при этом полная скорость остаётся неизменной. Такое перераспределение неизбежно означает замедление движения автомобиля во времени.
В качестве примера, если бы Лиза смогла увидеть часы Барта, несущегося со скоростью 250 тыс. км/с, то она бы отметила, что скорость тиканья его часов составляет примерно три четверти от скорости тиканья её собственных часов. Иными словами, за каждые четыре часа по часам Лизы проходит только три часа по часам Барта. Таким образом, скорость движения Барта в пространстве столь велика, что она значительно сказывается на его скорости движения во времени.
Более того, максимальная скорость движения в пространстве достигается тогда, когда всё движение со скоростью света во времени переводится в движение со скоростью света в пространстве – вот ещё одна иллюстрация того, почему при движении в пространстве невозможно развить скорость, превышающую скорость света. Свет, распространяющийся всегда со скоростью света, уникален как раз тем, что у него происходит полный перевод всего движения в движение в пространстве. И подобно тому как при движении автомобиля строго на восток он нисколько не смещается в северном направлении, так и движение в пространстве со скоростью света ничего не оставляет на движение во времени! Время останавливается при движении в пространстве со скоростью света. Часы фотонов вообще не тикают. Свет реализует мечту Понсе де Леона [11]11
Понсе де Леон (1460?–1521) – испанский конкистадор, участник второй экспедиции Христофора Колумба. Был одержим идеей поиска «источника молодости». (Прим. перев.)
[Закрыть]и всей индустрии косметики: он не стареет. {21}
Нетрудно понять, что эффекты специальной теории относительности наиболее ярко выражены, когда скорость движения в пространстве составляет ощутимую часть от скорости света. Но эта непривычная нам взаимно дополнительная природа движения в пространстве и времени существует всегда и никогда не исчезает. Чем меньше скорость, тем меньше отклонения от дорелятивистской физики – от здравого смысла, – но, будьте уверены, отклонения всегда есть.
Это не ловкость рук и не психологическая иллюзия. Так устроена Вселенная.
В 1971 г. в эксперименте Джозефа Хафеле и Ричард Китинга сверхточные цезиевые атомные часы облетели вокруг Земли на коммерческом реактивном самолёте Пан Американ. Когда они сверили показания часов, летавших на самолёте, с показаниями идентичных часов, оставленных на земле, то обнаружили, что полетавшие часы отмерили меньшее время. Разница была крошечной – несколько сотен миллиардных долей секунды, – но в точном соответствии с теорией Эйнштейна. Чего же ещё хотеть в обычных условиях?
В 1908 г. прошёл слух [12]12
Дата приведена неверно. Речь идёт об экспериментах Миллера, которые были проведены с 8 по 21 апреля 1921 г. См.: Пайс А.Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М.: Наука, 1989. С. 110. (Прим. ред.)
[Закрыть], что в новых, более тонких экспериментах доказано существование эфира. {22} Будь это так, это означало бы, что существует абсолютный стандарт покоя, и специальная теория относительности Эйнштейна неверна. Эйнштейн отреагировал на эту молву фразой: «Бог изощрён, но не злонамерен». Проникновение Эйнштейна в природу пространства и времени было куда более глубоким, чем кто-либо смог достичь до него. И допустить существование такой изумительно красивой теории, не имеющей, однако, никакого отношения к устройству Вселенной, было бы злонамеренностью. Эйнштейн даже не стал смотреть на новые эксперименты, и его уверенность оправдала себя. В конце концов было показано, что эти эксперименты ошибочны, и светоносный эфир испарился со сцены науки. [13]13
Эксперименты по проверке постоянства скорости света и сейчас продолжаются со всё возрастающей точностью. Они имеют большое значение для проверки теорий квантовой гравитации, так как некоторые из таких теорий предсказывают слабое нарушение постоянства скорости света (и нарушают некоторые другие следствия СТО). (Прим. ред.)
[Закрыть]
Теперь со светом определённо всё в порядке. Теория и эксперимент согласуются в том, что для распространения световых волн не требуется никакая среда, и независимо от движения источника света или наблюдателя скорость света всегда постоянна и неизменна. Любая точка зрения равноценна другой. Не существует абсолютной или предпочтительной системы отсчёта для определения покоя. Всё очень хорошо. А как насчёт ведра?
Вспомним, что хотя многие и рассматривали светоносный эфир в качестве физической субстанции, оправдывающей введение ньютоновского абсолютного пространства, но эфир никак не связан с тем, почемуНьютон ввёл абсолютное пространство. Рассматривая ускоренное движение, такое как вращение ведра, Ньютон не нашёл другого выхода, кроме как ввести некую невидимую субстанцию, по отношению к которой можно однозначно определить движение. Покончив с эфиром, мы не покончили с ведром; так как же Эйнштейн и его специальная теория относительности справились с этой проблемой?
По правде говоря, в своей специальной теории относительности Эйнштейн сосредоточился на особом виде движения: на движении с постоянной скоростью. И лишь десять лет спустя, в 1915 г., в своей общей теории относительности он охватил более общее, ускоренное движение. Но и до этого Эйнштейн и другие учёные постоянно возвращались к вопросу о вращательном движении, применяя идеи специальной теории относительности; они приходили к выводу Ньютона, не соглашаясь с Махом: даже в совершенно пустой Вселенной вы бы почувствовали силу вращения – Гомер чувствовал бы себя придавленным ко внутренней поверхности вращающегося ведра; натянулась бы верёвка, связывающая два вращающихся камня. {23} Покончив с концепцией Ньютона об абсолютном пространстве и абсолютном времени, как Эйнштейн объяснил это?
Ответ неожиданный. Несмотря на своё название, теория Эйнштейна не заявляет, что всё относительно. Специальная теория относительности в действительности утверждает, что некоторыепонятия относительны: скорости относительны, расстояния пространства относительны, промежутки времени относительны. Но эта теория на самом деле вводит новую всеобъемлющую абсолютную концепцию: абсолютное пространство-время. Абсолютное пространство-время столь же абсолютно в специальной теории относительности, как абсолютное пространство и абсолютное время были абсолютны для Ньютона; и отчасти по этой причине Эйнштейн предпочитал не называть эту свою теорию «теорией относительности». Вместо этого он и другие физики склонялись к термину «теория инвариантности», подчёркивая, что в своей основе теория включает нечто, с чем все согласны, нечто, что не относительно. {24}
Абсолютное пространство-время – это следующая важная глава в истории с ведром, поскольку даже при отсутствии всех материальных ориентиров для определения движения абсолютное пространство-время специальной теории относительности даёт нечто, по отношению к чему можно определить ускоренное движение.
Нарезая пространство и времяЧтобы увидеть это, вообразим, что Мардж и Лиза в поисках приятного и полезного совместного времяпрепровождения решили пойти на курсы благоустройства городов в институте Бёрнса. В качестве первого задания их попросили перепланировать улицы и авеню Спрингфилда [14]14
Спрингфилд – вымышленный город, в котором разворачивается действие знаменитого мультсериала про семейку Симпсонов. Далее будут частенько встречаться достопримечательности Спрингфилда – супермаркет «На скорую руку» и атомная электростанция. Мардж – мать семейки Симпсонов, Лиза – её дочь. Глава семейства Гомер работает на той самой атомной электростанции. (Прим. перев.)
[Закрыть], учитывая два требования: 1) улицы и авеню должны быть проложены так, чтобы Парящий ядерный монумент оказался бы точно в центре, на пересечении 5-й улицы с 5-й авеню и 2) улицы и авеню должны идти строго перпендикулярно друг другу и иметь одинаковую длину 100 м. Прямо перед занятиями Лиза и Мардж сравнили свои планы и обнаружили, что что-то совсем не так. Расположив Ядерный монумент в центре города, как и положено, Мардж обнаруживает, что супермаркет «На скорую руку» в её проекте попал на пересечение 8-й улицы с 5-й авеню, а атомная электростанция оказалась на пересечении 3-й улицы с 5-й авеню, как показано на рис. 3.2 а. Но в проекте Лизы адреса этих объектов совсем другие: супермаркет «На скорую руку» находится на пересечении 7-й улицы и 3-й авеню, тогда как атомная электростанция расположилась на пересечении 4-й улицы и 7-й авеню, как показано на рис. 3.2 б. Ясное дело, кто-то из них ошибся.
Но, немного поразмыслив, Лиза понимает, в чём дело. Никто не ошибся. Права и она, и Мардж. Они просто по-разному ориентировали сеть улиц и авеню. Улицы и авеню Мардж идут под углом к улицам и авеню Лизы; сети улиц и авеню можно совместить путём вращения относительно центра города; просто Лиза и Мардж по-разному «нарезали» Спрингфилд на улицы и авеню (см. рис. 3.2 в). Отсюда простой, но важный урок. Есть свобода в том, как Спрингфилд – область пространства – может быть разбита на улицы и авеню. Нет «абсолютных» улиц или «абсолютных» авеню. Выбор Мардж столь же законен, как и выбор Лизы – как и любая другая ориентация сети улиц и авеню.
Рис. 3.2.( а) Проект Мардж. ( б) Проект Лизы. ( в) Вид сверху на проекты Мардж и Лизы. Их сети улиц и авеню можно совместить вращением относительно центра города
Помните это при добавлении времени к нашей картинке. Говоря об арене Вселенной, мы обычно имеем в виду только пространство, но физические процессы разворачиваются в области пространства в течение некоторого промежутка времени. В качестве примера представим себе, что между Щекоткой и Царапкой [15]15
Шоу «Щекотка и Царапка» смотрит всё та же семейка Симпсонов. (Прим. перев.)
[Закрыть]происходит дуэль, как показано на рис. 3.3 а, и события записываются как на старинных книжках с бегущими картинками. Каждая страница является «срезом по времени» (как кадр на киноплёнке), показывающим, что происходило в фиксированный момент времени в рассматриваемой области пространства. Чтобы увидеть, что случилось в другой момент времени, нужно перелистнуть страницу. [16]16
Как и в любой книжке с бегущими картинками, на страницах рис. 3.3 отражаются только характерные моменты времени. Глядя на них, у вас может возникнуть интересный вопрос, является ли время дискретным или оно бесконечно делимо. Мы ещё вернёмся к этому вопросу, а пока представим, что время бесконечно делимо, так что в нашей книжке с бегущими картинками бесконечное число страниц.
[Закрыть](Конечно, пространство трёхмерно, тогда как страницы двумерны, но давайте примем такое упрощение, чтобы легче было думать и рисовать картинки. Это никак не повлияет ни на один вывод.) Введём следующую терминологию: область пространства, рассматриваемую в течение интервала времени, мы будем называть областью пространства-времени; вы можете думать об области пространства-времени как о записи всего, что происходит в некоторой области пространства в заданный промежуток времени.
Рис. 3.3.( а) Книжка с бегущими картинками, изображающая дуэль. ( б) Книжка с бегущими картинками с растянутым переплётом. ( в) Блок пространства-времени с записью дуэли. Страницы или «срезы по времени» упорядочивают события, записанные в блоке. Промежутки между страницами оставлены лишь для большей наглядности; они не намекают на то, что пространство дискретно – этот вопрос мы обсудим позже
Теперь, следуя за математиком Германом Минковским (который, кстати, был преподавателем Эйнштейна и обозвал лентяем своего молодого студента), рассмотрим область пространства-времени как «вещь в себе». Приняв такую точку зрения, представим себе, что мы растянули переплёт нашей книжки (см. рис. 3.2 б), и вообразим, что все её страницы совершенно прозрачны, так что, глядя на книжку, мы видим один непрерывный блок, содержащий все события, произошедшие в заданный промежуток времени. С этой точки зрения страницы книги следует считать лишь удобным способом организации содержимого блока, т. е. организации всех событий пространства-времени. Подобно тому как сеть улиц/авеню позволяет нам легко ориентироваться в городе по их номерам, так и деление блока пространства-времени на отдельные страницы позволяет нам легко ориентироваться в событиях (Щекотка выстреливает из пистолета, пуля попадает в Царапку и т. д.), указывая время, когда произошло событие (т. е. страницу, на которой зафиксировано данное событие) и область пространства, в которой произошло событие.
И вот главный момент: подобно тому как Лиза поняла, что можно по-разному «нарезать» область пространства на улицы и авеню, причём каждый из этих способов будет одинаково законен, так и Эйнштейн осознал, что можно по-разному и одинаково законным образом «нарезать» область пространства-времени (блок, подобный изображённому на рис. 3.3 в) на области пространства в фиксированные моменты времени. Страницы на рис. 3.3 а–вотображают лишь один из множества возможных способов организации срезов(каждая страница относится к фиксированному моменту времени). Поначалу это может показаться лишь незначительным расширением того, что мы интуитивно знаем о пространстве, но это послужило базисом для переворота в некоторых интуитивных представлениях (из числа основных), существовавших в течение тысячелетий. До 1905 г. было «само собой разумеющимся», что все одинаково переживают ход времени, что все единодушны в том, какие события произошли в заданный момент времени, и, значит, все согласятся с тем, что именно запечатлено на такой-то странице книги пространства-времени. Но всё это изменилось, когда Эйнштейн открыл, что для двух наблюдателей, движущихся друг относительно друга, время течёт по-разному. Часы, двигающиеся друг относительно друга, перестают быть синхронными, и, следовательно, дают разное представление об одновременности. Каждая из страниц на рис. 3.3 ботражает точку зрения лишь одного наблюдателя на то, что произошло в тот или иной момент еговремени. Другой наблюдатель, движущийся по отношению к первому, заявит, что события, представленные на одной странице этой книги (рис. 3.3 б), произошли нев одно и то же время.
Это факт известен как относительность одновременности. Остановимся подробнее на этом, вообразив, что Щекотка и Царапка с пистолетами в опущенных руках стоят друг напротив друга в противоположных концах вагона поезда, движущегося с постоянной скоростью. Один секундант наблюдает за дуэлью из поезда, а второй находится на платформе, мимо которой проезжает поезд. Чтобы сделать дуэль как можно более честной, все участники соглашаются отказаться от правила трёх шагов, и, вместо этого, дуэлянты будут стрелять по сигналу от вспышки кучки пороха, находящейся строго посредине между ними. Первый секундант, Апу [17]17
Апу и Мартин – ещё парочка персонажей из мультсериала про семейку Симпсонов. (Прим. перев.)
[Закрыть], поджигает фитиль, ведущий к кучке пороха и делает шаг назад. По вспышке пороха Щекотка и Царапка поднимают пистолеты и стреляют. Поскольку Щекотка и Царапка находятся на одинаковом расстоянии от пороха, то Апу уверен, что свет от вспышки достиг дуэлянтов одновременно, так что он поднимает зелёный флаг, означающий, что дуэль прошла честно. Но второй секундант, Мартин, наблюдавший за дуэлью с платформы, заявляет о мошенничестве, утверждая, что световой сигнал от вспышки дошёл до Щекотки раньше, чем до Царапки. Он объясняет это тем, что Щекотка стоял в задней части вагона и двигался навстречу световому сигналу, тогда как Царапка удалялся от светового сигнала из-за движения поезда. Значит, чтобы достичь Щекотку, свету нужно было пройти меньшее расстояние, чем до Царапки, и, следовательно, Щекотка получил световой сигнал раньше Царапки, так что дуэль прошла нечестно.
Кто же прав, Апу или Мартин? Эйнштейн даёт неожиданный ответ: правы оба. Хотя секунданты приходят к разным выводам, но наблюдения и рассуждения каждого из них безупречны. Как бита и бейсбольный мяч, они просто с разных точек зрения смотрят на одни и те же события. Самая удивительная вещь, которую открыл Эйнштейн, состоит в том, что различные точки зрения приводят к разным, но одинаково справедливым выводам о том, какие события произошли одновременно. Конечно, в нашей обычной повседневной жизни, как в примере с поездом, разница будет ничтожно мала – Мартин заявляет, что Царапка получил световой сигнал на триллионную долю секунды позже Щекотки, – но если бы поезд двигался быстрее, близко к скорости света, то разница во времени была бы значительной.
Задумаемся, как это отразится на нашей книжке с бегущими картинками, нарезающей на ломтики область пространства-времени. Поскольку наблюдатели, двигающиеся друг относительно друга, не согласны в том, какие события произошли одновременно, то не будут совпадать и страницы книжек, на которых запечатлеваются события, произошедшие одновременно с точки зрения каждого из наблюдателей. Таким образом, наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, «нарезают» блок пространства-времени на страницы разными, но одинаково справедливыми способами. То, что Лиза и Мардж обнаружили по отношению к пространству, Эйнштейн нашёл по отношению к пространству-времени.
