Текст книги "Вечность. В поисках окончательной теории времени"

Автор книги: Шон Кэрролл

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 43 страниц) [доступный отрывок для чтения: 16 страниц]

Энтропия Вселенной

Немало часов напряженных размышлений теоретические физики посвятили вопросу о том, почему Вселенная развивается именно так, как она это делает, а не по-другому. Определенно нельзя исключать возможность, что ответа на этот вопрос вовсе не существует; Вселенная такая, какая она есть, и, кроме как смириться с этим, ничего поделать невозможно. И все же мы безо всяких на то оснований продолжаем надеяться, что сможем добиться большего, чем просто принять ее как данность, – что мы сможем объяснить ее.

Если предположить идеальное знание законов физики, то вопрос «Почему Вселенная развивалась именно так?» сводится к вопросу «Почему начальные условия Вселенной оказались именно такими?». Однако вторая формулировка опять неявно подразумевает, что время несимметрично и у прошлого есть определенное превосходство над будущим. Если наше представление о фундаментальных микроскопических законах природы верно, то мы можем взять состояние Вселенной в любой момент времени и, отталкиваясь от него, описать как прошлое, так и будущее. Таким образом, правильнее будет говорить, что наша задача заключается в том, чтобы разобраться, что же считать естественной историей Вселенной в целом.[52]52
  Хью Прайс очень уверенно раскритиковал эту тенденцию (Price, H. Time’s Arrow and Archimedes’ Point: New Directions for the Physics of Time. New York: Oxford University Press, 1996). Он обвинил космологов в двойных стандартах, так как к ранней Вселенной применяются критерии естественности, которые никто не стал бы использовать для поздней Вселенной, и наоборот. По мнению Прайса, непротиворечивая космология, управляемая симметричными во времени законами, должна описывать симметричную во времени эволюцию. Учитывая, что у Большого взрыва была низкая энтропия, в будущем должен случиться симметричный коллапс – Большое сжатие, также имеющее низкую энтропию. В такой Вселенной – она называется Вселенной Голда в честь Томаса Голда, знаменитого своей поддержкой теории стационарной Вселенной, – стрела времени изменила бы направление, как только Вселенная достигла бы максимального размера, и энтропия начала бы уменьшаться по направлению к Сжатию. Поскольку мы уже открыли темную энергию, подобный сценарий сейчас кажется совсем маловероятным. (В этой книге мы все же ответим на вызов Прайса, попытавшись представить, что время во Вселенной действительно симметрично на больших масштабах, и в далеком прошлом, точно так же, как в далеком будущем, у Вселенной высокая энтропия – что, очевидно, может быть правдой только в том случае, если история Вселенной начинается гораздо раньше Большого взрыва.)


[Закрыть] Космологи традиционно недооценивают значимость стрелы времени, и здесь скрывается определенная ирония, так как это, возможно, самый явный и очевидный факт, относящийся к эволюции Вселенной. Больцман отстаивал (и был совершенно прав) существование в прошлом граничного условия с низкой энтропией. При этом он ничего не знал об общей теории относительности, квантовой механике и даже существовании других галактик. Серьезный подход к вопросу энтропии помогает нам взглянуть на космологию в новом свете, благодаря чему мы можем сложить несколько головоломок, над которыми человечество бьется уже очень давно.

Однако для начала нужно более четко определиться, что же мы подразумеваем под энтропией Вселенной. В главе 13 мы во всех подробностях обсудим эволюцию энтропии обозримой Вселенной, однако на простейшем уровне дело обстоит следующим образом.

   1. В ранней Вселенной, до того как произошло формирование структур, гравитация почти не влияла на энтропию. Вселенная была похожа на контейнер с газом, и для вычисления ее энтропии можно было применять привычные формулы термодинамики. Общая энтропия в пространстве, соответствующем обозримой Вселенной, составляла около 10⁸⁸ в ранние моменты времени.

   2. К моменту, когда мы достигли текущей стадии эволюции, роль гравитации значительно возросла. Для этого режима в нашем арсенале нет точной формулы, однако мы можем получить неплохую оценку для полной энтропии, всего лишь сложив вклады черных дыр (которые обладают громадной энтропией). Энтропия одной сверхмассивной черной дыры порядка 10⁹⁰, а в наблюдаемой Вселенной примерно 10¹¹ подобных черных дыр; полная энтропия на сегодняшний день, таким образом, составляет приблизительно 10¹⁰¹.

   3. Однако на этом история далеко не заканчивается. Если взять все вещество в наблюдаемой Вселенной и поместить его в одну черную дыру, ее энтропия составит 10¹²⁰. Можно считать эту величину максимально возможным значением энтропии, которого можно добиться путем перестановки вещества во Вселенной, и именно в этом направлении все и развивается.[53]53
  На самом деле Вселенная не сколлапсирует в одну большую черную дыру. Как мы уже обсуждали выше, она попросту опустеет. Примечательно, однако, что в присутствии темной энергии даже у пустого пространства есть энтропия, и мы получаем то же значение (10¹²⁰) для максимальной энтропии наблюдаемой Вселенной. Обратите внимание, что 10¹²⁰ – это также величина расхождения между теоретической оценкой энергии вакуума и ее наблюдаемым значением. Это очевидное совпадение двух разных величин – уже знакомое нам совпадение между текущей плотностью вещества (связанной с максимальной энтропией) и плотностью энергии вакуума. В обоих случаях численное значение равно квадрату размера наблюдаемой Вселенной – примерно 10 миллиардов световых лет, разделенному на квадрат планковской длины.


[Закрыть]

Задача, стоящая перед нами, – объяснить эту историю, и в частности почему энтропия раннего состояния (10⁸⁸) настолько ниже максимально возможной энтропии (10¹²⁰)? Обратите внимание на то, что первое число во много-много раз меньше второго; впечатление, что они почти одинаковы, создается исключительно благодаря магии краткой записи больших чисел.

Хорошие новости заключаются в том, что модель Большого взрыва по крайней мере предоставляет контекст, в котором возможно разумно подойти к поиску ответа на данный вопрос. Во времена Больцмана, до того как люди узнали об общей теории относительности и расширении Вселенной, загадка энтропии была куда сложнее хотя бы потому, что не существовало такого события, как «начало Вселенной» (или хотя бы «начало обозримой Вселенной»). В противоположность этому сейчас мы в состоянии точно указать на время, когда энтропия была наименьшей, а также на конкретную форму того состояния, когда наблюдалась низкая энтропия. Это решающий шаг в попытке объяснить, почему все было так, а не иначе.

Возможно, конечно, что фундаментальные законы физики необратимы (хотя чуть позже мы приведем аргументы против). Однако если они все-таки обратимы, то низкая энтропия нашей Вселенной в момент Большого взрыва и около того оставляет нам, по сути, два основных варианта.

   1. Большой взрыв действительно был началом Вселенной, моментом, когда появилось время. Это объясняется тем, что истинные законы физики разрешают существование границы пространства—времени, или тем, что «время» в нашем понимании – на самом деле всего лишь приближение, теряющее достоверность в окрестности Большого взрыва. В любом случае в самом начале у Вселенной была низкая энтропия по причинам, лежащим далеко за пределами динамических законов природы. И тогда нам требуется новый, независимый принцип, чтобы объяснить начальное состояние.

   2. Такой вещи, как «изначальное состояние», не существует, потому что время вечно. При таком допущении то, что мы представляем себе как Большой взрыв, – это не начало Вселенной, хотя, несомненно, данное событие сыграло важную роль в истории нашей локальной области. Наблюдаемый нами отрезок пространства—времени должен быть каким-то образом вложен в большую картину. И способ этого вложения должен объяснить, почему энтропия была так низка на одном краю времени, не накладывая при этом никаких специальных условий на глобальное описание.

Какой из двух вариантов точнее описывает реальный мир, мы пока не знаем. Признаюсь честно, мне больше по душе второй вариант, ведь гораздо элегантнее выглядит история, в котором мир становится практически неизбежным результатом действия целой группы динамических законов и не требует дополнительного принципа, разъясняющего, почему он появился именно в таком виде. Для того чтобы превратить этот призрачный сценарий в достоверную космологическую модель, нам придется использовать в своих интересах загадочную энергию вакуума, которая господствует в нашей Вселенной. Однако мы не сможем этого сделать, пока не разберемся окончательно в искривлении пространства—времени и теории относительности. Пожалуй, этим стоит заняться прямо сейчас.

Часть II Время во Вселенной Эйнштейна

Глава 4 Время – штука личная

Время идет различным шагом с различными людьми.

Уильям Шекспир. Как вам это понравится

Скажите «ученый» – и большинство людей сразу же вспомнят Эйнштейна. Альберт Эйнштейн – фигура культовая; многим ли физикам-теоретикам удавалось достичь такой степени известности, что их лица начинали печатать на футболках? Однако Эйнштейн – знаменитость далекая, пугающая. Большинство из тех, кто считает это имя знакомым, затрудняются назвать его конкретные достижения,[54]54
  С другой стороны, какими достижениями объясняется популярность Пэрис Хилтон, остается не меньшей загадкой.


[Закрыть] в отличие, например, от успехов Тайгера Вудса.[55]55
  Элдрик Тонт (Тайгер) Вудс – знаменитый американский гольфист. – Примеч. ред.


[Закрыть] Нам всем знаком образ Эйнштейна как неуклюжего рассеянного профессора в мешковатом свитере и с всклокоченными волосами – образ человека, полностью посвятившего себя науке и равнодушного ко всему земному. А его работы – рассуждения об эквивалентности массы и энергии, искривлении пространства и времени и поиске окончательной теории – являют для нас вершину абстракции, бесконечно удаленную от каждодневных бытовых проблем.

Настоящий Эйнштейн куда интереснее этого устоявшегося образа. Во-первых, всклокоченный вид и прическа, как у Дона Кинга, стали фирменным стилем Эйнштейна уже в более позднем возрасте – вы вряд ли узнали бы знаменитого ученого в опрятном и ухоженном молодом человеке с пронзительным взором, не раз перевернувшем физику с ног на голову в начале XX века.[56]56
  В 1905 году – в свой «удивительный год» – Эйнштейн опубликовал серию работ, каждая из которых в отдельности способна была вознести карьеру практически любого ученого до невероятных высот: окончательная формулировка специальной теории относительности, объяснение фотоэлектрического эффекта (подразумевающее существование фотонов и закладывающее основы квантовой механики), построение теории броуновского движения в терминах случайных столкновений на атомном уровне и открытие эквивалентности массы и энергии. Большую часть следующего десятилетия он посвятил разработке теории гравитации; свой окончательный ответ – общую теорию относительности – Эйнштейн получил в 1915 году, когда ему было тридцать шесть лет. Скончался Эйнштейн в 1955 году в возрасте семидесяти шести лет.


[Закрыть] Во-вторых, теория относительности родилась не из пустых рассуждений о природе пространства и времени; ее источники кроются в абсолютно практичных задачах доставки людей и груза в правильное место в правильное время.

^{Рис. 4.1. Альберт Эйнштейн в 1912 году «Удивительным годом» для него стал 1905 год, а исследования по общей теории относительности дали первые ощутимые результаты в 1915 году.}

Специальная теория относительности, объясняющая, каким образом скорость света может быть одной и той же для любых наблюдателей , появилась в самом начале XX века благодаря усилиям сразу нескольких исследователей. (Авторство общей теории относительности, которая интерпретирует гравитацию как результат искривления пространства– времени, практически всецело принадлежит Эйнштейну.) Крупнейший вклад в развитие специальной теории относительности внес французский математик и физик Анри Пуанкаре. Несмотря на то что именно Эйнштейн поставил окончательную точку, приняв, что «время», измеряемое любым движущимся наблюдателем, ничем не хуже «времени», измеряемого любым другим наблюдателем, оба ученых в своих исследованиях относительности пришли к очень похожим формальным выводам.[57]57
  Необходимо также вспомнить нидерландского физика Хендрика Антона Лоренца, который еще в 1892 году высказал идею о том, что время и расстояние для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, становятся иными, и разработал «преобразования Лоренца» – соотношения, устанавливающие связь между измерениями, полученными движущимися один относительно другого наблюдателями. Лоренц измерял скорости относительно некоего фона – эфира; Эйнштейн первым догадался, что эфир – ненужная выдумка.


[Закрыть]

Историк Питер Галисон в своей книге «Часы Эйнштейна, карты Пуанкаре: империя времени» («Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps: Empires of Time») излагает доводы в пользу того, что и на исследования Эйнштейна, и на исследования Пуанкаре одинаково повлияли как эзотерические размышления об архитектуре физики, так и обычные земные профессии ученых.[58]58
  Galison, P. Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps: Empires of Time. New York: W.W. Norton, 2003. По прочтении книги Галисона может создаться впечатление, что он находит работу Пуанкаре более интересной, чем исследования Эйнштейна. Тем не менее когда автору выпадает возможность поставить фамилию Эйнштейна в заглавие книги, она обычно оказывается на первом месте. Эйнштейн – залог успешных продаж.


[Закрыть] Эйнштейн в то время работал патентным клерком в Швейцарии, в Берне, где основной задачей считалось создание точных часов. Между европейскими городами вырастала сеть железных дорог, и решение проблемы синхронизации часов на больших расстояниях представляло огромный коммерческий интерес. Пуанкаре, будучи на два десятилетия старше, служил президентом французского Бюро долгот. Развитие морских перевозок и водных торговых путей требовало более точных методов определения долготы при нахождении в открытых водах – как для ориентирования отдельных кораблей, так и для составления точных карт.

И вот мы имеем то, что имеем: карты и часы. Пространство и время. В частности, теперь мы знаем, что важные вопросы – вовсе не «Где мы в действительности находимся?» или «Сколько сейчас в действительности времени?», а «Где мы находимся по отношению к другим объектам?» и «Какое время показывают наши часы?». Жесткое, абсолютное пространство и время ньютоновской механики превосходно согласуются с нашим интуитивным пониманием мира; теория относительности же требует перейти на совершенно иной уровень абстракции. Физикам, работавшим в начале прошлого столетия, удалось сделать этот критически важный шаг. Они поняли, что не следует пытаться запихнуть мир в рамки, навязываемые нашей интуицией, а нужно серьезно отнестись к тому, что поддается измерению реальными приборами.

Специальная теория относительности и общая теория относительности формируют основу современного представления о пространстве и времени, и в этой главе мы попробуем разобраться, что же скрывается за составляющей «время» в «пространстве—времени».[59]59
  Джордж Джонсон (Johnson, G. The Theory That Ate the World // New York Times, 2008, August 22, BR16) в своей рецензии на книгу Леонарда Сасскинда «Битва при черной дыре» (Susskind, L. The Black Hole War: My Battle with Stephen Hawking to Make the World Safe for Quantum Mechanics. New York: Little, Brown, 2008) жалуется на несчастную судьбу современного читателя научно-популярных книг по физике: «Мне не терпелось узнать, каким же образом Сасскинд и компания показали, что Хокинг, вероятно, не совсем прав, – что информация действительно сохраняется. Однако для начала мне пришлось пройти 66-страничный ускоренный курс теории относительности и квантовой механики. Создается впечатление, что без этого не обходится ни одна книга о современной физике, – а каково тем, кто интересуется темой и прочитал куда больше одной? (Представьте себе, что в предвыборной кампании президента каждое выступление начинается с доклада об истоках афинской демократии и наследии французского просвещения.)» Решение очевидно: основы теории относительности и квантовой механики должны входить в стандартный курс среднего образования наравне с истоками афинской демократии и наследием французского просвещения, а до тех пор эта глава будет служить частью неизбежного ускоренного курса. Хорошие новости: мы в основном сосредоточимся на роли «времени» и, таким образом, постараемся избежать в своих рассуждениях избитых истин и банальных аналогий.


[Закрыть] Мы постараемся ненадолго забыть и об энтропии, и о втором начале термодинамики, и о стреле времени, найдя прибежище в чистом, точном мире фундаментально обратимых законов физики. И все же без уверенного понимания теории относительности и понятия пространства—времени нам не удастся найти окончательное объяснение такого явления, как стрела времени.

Потерянные в пространстве

В дзэн-буддизме существует такая концепция, как «сознание начинающего»: состояние, в котором человек свободен от любых предрассудков и готов принимать мир таким, какой он есть. Можно долго спорить, реально ли достичь такого состояния и есть ли вообще смысл пытаться, однако сама концепция может оказаться весьма полезной при знакомстве с теорией относительности. Так что давайте забудем все, что, как нам кажется, мы знаем о времени во Вселенной, и проведем несколько мысленных экспериментов (о результатах которых нам известно на основании реальных опытов). Наша цель – понять, что нового теория относительности может сказать про время.

Для этого представьте себе, что мы находимся внутри космического корабля, свободно парящего в космическом пространстве и не подверженного влиянию никаких звезд или планет. Мы обеспечены всеми необходимыми запасами: у нас есть вода, воздух и предметы первой необходимости. Кроме того, на борту имеется простейшее оборудование для проведения научных экспериментов в виде блоков, весов и т. п. Единственное ограничение – мы не можем выглянуть наружу и посмотреть на вещи, находящиеся за пределами корабля. В нашем эксперименте мы будем считать, что корабль оборудован различными датчиками, расположенными внутри и снаружи корабля.

Прежде всего, давайте подумаем, что мы можем узнать, находясь внутри корабля. У нас есть пульт управления, и мы можем вращать судно вокруг любой оси. Также мы можем запустить двигатели и переместиться в любом желаемом направлении. Итак, мы проводим время, вращая корабль в разные стороны и перемещаясь туда-сюда, не зная и не особо беспокоясь о том, в каком направлении мы движемся, и проводя заодно разнообразные эксперименты.

^{Рис. 4.2. Изолированный космический корабль. Слева направо: свободное падение, ускорение, вращение.}

Что мы можем узнать? Очевидно, что нам не составляет труда заметить ускорение корабля. Когда он движется без ускорения, наша любимая обеденная вилка невесома и свободно парит в воздухе. Однако как только мы запускаем двигатели, она падает вниз, где под «низом» понимается «направление, противоположное тому, в котором корабль ускоряется».[60]60
  Создатели научно-популярных фильмов и сериалов по большей части относятся к этому закону природы с ужасающим пренебрежением – в основном потому, что имитировать невесомость чрезвычайно трудно. (В одной из серий фильма «Звездный путь: Энтерпрайз» есть уморительная сцена, в которой космический корабль «потерял гравитацию» как раз в тот момент, когда капитан Арчер принимал душ.) Искусственная гравитация, позволяющая капитану и команде целеустремленно вышагивать по капитанскому мостику, не совместима с законами физики в том виде, какими мы их знаем. Если вы не ускоряетесь, то единственный способ создать необходимую силу тяжести – таскать с собой предмет массой с небольшую планету, что, как вы понимаете, не совсем практично.


[Закрыть] Если мы еще поэкспериментируем, то сможем даже научиться распознавать вращение космического корабля. В этом случае предмет сервировки, расположенный точно на оси вращения, продолжает свободно парить на одном месте; однако любые предметы, находящиеся на периферии, «притягиваются» к корпусу корабля и остаются там.

Таким образом, определенные сведения о состоянии корабля мы можем узнавать экспериментально, с помощью несложных опытов внутри судна. Тем не менее есть также вещи, которые мы понять попросту не можем. Например, мы не знаем, где находимся. Скажем, мы проводим несколько экспериментов внутри нашего неускоряющегося, невращающегося корабля. Затем мы включаем двигатели, куда-то стремительно переносимся и снова выключаем, – и вот мы опять в неускоряющемся и невращающемся корабле и можем повторить предыдущие эксперименты. При условии, что у нас есть хоть малейшие навыки проведения физических экспериментов, мы получим точно такие же результаты. Если мы потрудились записать величину ускорения и продолжительность работы двигателей, то, возможно, сумеем вычислить расстояние, на которое переместился корабль; однако, прибегая исключительно к локальным экспериментам, мы при всем желании не сможем отличить одно местоположение от другого.

Аналогично, нам не под силу отличить одну скорость от другой. Как только мы выключаем двигатели, корабль снова начинает свободно парить в пространстве, и совершенно неважно, какую скорость он успел набрать; необходимости замедляться нет. И ориентацию корабля мы тоже определить не можем – в пустынных бескрайних просторах межзвездного пространства все направления одинаковы. Можно понять, вращается судно или нет; однако если включить подходящие направляющие двигатели (или использовать соответствующие бортовые гироскопы) и прекратить вращение, то никакой локальный эксперимент не позволит нам определить угол, на который успел повернуться корабль.

Эти простые выводы открывают нам сокровенные тайны процессов, происходящих в реальном мире. Любые манипуляции, которые мы совершаем с нашим аппаратом, при условии, что они не влияют на результаты экспериментов, – мы меняем его местоположение, поворачиваем, заставляем двигаться с постоянной скоростью, – отражают симметрию законов природы. Принципы симметрии в физике играют важнейшую роль: именно они накладывают строгие ограничения на то, какую форму могут принимать законы природы и какого типа экспериментальные результаты мы можем получать.

Разумеется, у обнаруженных нами видов симметрии есть свои названия. Изменение местоположения объекта в пространстве называется «переносом», изменение ориентации в пространстве – это «поворот», а изменение скорости движения сквозь пространство – «буст». В контексте специальной теории относительности набор поворотов и бустов называется преобразованиями Лоренца, а полный комплект, включающий переносы, – преобразованиями Пуанкаре.

Главная идея, лежащая в основе этих преобразований симметрии, высказывалась учеными задолго до появления специальной теории относительности. Еще Галилео утверждал, что законы природы должны быть инвариантными относительно того, что мы сегодня называем переносами, поворотами и бустами. Даже без теории относительности, если бы Галилео и Ньютон оказались правы в своих утверждениях о законах механики, мы все равно были бы не в состоянии определять положение , ориентацию и скорость, находясь в изолированном свободно движущемся космическом корабле. Различие между теорией относительности и представлениями Галилео лежит лишь в области того, что происходит, когда мы перемещаемся в систему координат движущегося наблюдателя. Волшебство относительности заключается в том, что у изменения скорости много общего с изменением пространственной ориентации; буст – всего лишь пространственно-временная версия поворота.

Прежде чем начинать разбираться с этим, давайте остановимся на мгновение и спросим себя: а могли бы законы физики работать по-другому? Например, выше мы утверждаем, что абсолютное положение объекта не поддается определению – и абсолютная скорость тоже, однако абсолютное ускорение вполне измеримо.[61]61
  Скорость – это всего лишь темп изменения положения, а ускорение – темп изменения скорости. В терминах дифференциального исчисления скорость – это первая производная положения, а ускорение – вторая. Важное свойство классической механики состоит в том, что положение и скорость полностью задают состояние частицы, ускорение же определяется локальными условиями и соответствующими законами физики.


[Закрыть] Можно ли вообразить мир с такими физическими законами, в котором невозможно оценить абсолютное положение, однако абсолютная скорость поддается объективному измерению?[62]62
  Упражнение для читателей: можно ли вообразить мир, в котором абсолютная ориентация в пространстве поддается точному определению? А как насчет мира, в котором нельзя определить абсолютное положение, скорость и ускорение, но зато темп изменения ускорения является наблюдаемым?


[Закрыть]

Это совсем несложно. Представьте себе, что вы движетесь сквозь неподвижную среду, такую как воздух или вода. Если бы мы жили в бескрайнем водоеме, то нам не к чему было бы привязать свое местоположение, однако мы могли бы без труда измерять свою скорость по отношению к воде. Можно было бы даже предположить, что окружающее пространство тоже напитано подобной средой.[63]63
  Проигрывая возможные ситуации, постарайтесь все же не слишком увлекаться. Сегодня мы твердо убеждены, что никакой среды, пронизывающей все пространство и относительно которой мы могли бы измерять нашу скорость, не существует. Однако в конце XIX века люди верили в ее существование, называя такую среду эфиром. С другой стороны, мы верим в существование в каждой точке пространства полей, причем некоторые поля (например, поле Хиггса) в пустом пространстве могут даже иметь ненулевые значения. Сегодня мы верим, что волны – электромагнитные и иные – это распространяющиеся колебания этих полей. Однако поле не считается настоящей «средой» по двум причинам: во-первых, оно может иметь нулевое значение, а во-вторых, невозможно измерить скорость по отношению к нему. Кроме того, вполне вероятно, что мы многого не знаем. Некоторые отличающиеся богатым воображением физики-теоретики всерьез задаются вопросом, а нет ли вокруг нас каких-то новых полей, которые задают абсолютную систему координат, относительно которой мы могли бы измерять свою скорость (см., например: Mattingly, D. Modern Tests of Lorentz Invariance // Living Reviews in Relativity, 2005, 8, p. 5). Подобные поля иронично называют «эфиром», но это совершенно не тот эфир, о котором говорилось в XIX веке. В частности, они никак не связаны с распространением электромагнитных волн и прекрасно согласуются с основными принципами теории относительности.


[Закрыть]⁰ В конце концов, еще Максвелл в своих работах по изучению электромагнетизма доказал, что свет – это всего лишь тип волны. А если есть волна, вполне естественно думать, что есть и среда для ее распространения. Например, чтобы распространялся звук, нужен воздух – в космосе никто не услышит ваш крик. Однако свет успешно распространяется в безвоздушном пространстве, значит (следуя этой логике, которая окажется в итоге ошибочной), и там существует какая-то среда, сквозь которую он перемещается.

Таким образом, физики конца XIX века считали, что электромагнитные волны распространяются сквозь невидимую, но играющую невообразимо важную роль среду, которой они дали название «эфир». И ученые-экспериментаторы поставили себе целью найти доказательства существования этой субстанции. Однако они потерпели поражение, а их неудача подготовила почву для специальной теории относительности.

Ключ к относительности

Представьте, что мы снова вернулись в космическое пространство, но на этот раз взяли с собой более изощренное оборудование для проведения экспериментов. В частности, у нас есть впечатляющая штуковина, сделанная по последнему слову лазерной техники и умеющая измерять скорость света. Для того чтобы откалибровать устройство, мы в свободном падении (без ускорения) проверяем, будет ли скорость света всегда одной и той же независимо от направления. Все правильно, это действительно так. Инвариантность относительно выбора направления – неотъемлемое свойство распространения света, как мы и подозревали.

Теперь пробуем измерить скорость света при движении с разными скоростями. Для этого мы проведем один тест, затем ненадолго включим двигатели и снова выключим их, чтобы набрать постоянную скорость относительно первоначального движения, и после этого повторим эксперимент. Поразительно – какую бы скорость мы ни набрали, значение скорости света, получаемое в результате измерений, всегда остается одинаковым. Если бы действительно существовала эфирная среда, сквозь которую свет распространялся бы так же, как звук распространяется по воздуху, то в зависимости от того, с какой скоростью по отношению к эфиру мы движемся, мы бы получали разные результаты. Однако этого не происходит. Можно было бы предположить, что свет получает какой-то толчок вследствие того, что источник его находится внутри движущегося космического судна. Для того чтобы проверить это, мы поднимем шторки на окнах и позволим проникнуть внутрь свету из внешнего мира. Однако измерение скорости света, источник которого находится снаружи, снова дает тот же результат: скорость света не зависит от скорости нашего космического корабля.

На практике этот эксперимент был выполнен в 1887 году Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли. За неимением космического корабля с мощным двигателем они воспользовались лучшим, что у них было: движением Земли вокруг Солнца. Орбитальная скорость Земли составляет около 30 километров в секунду, так что зимой ее полная скорость примерно на 60 километров в секунду отличается от ее скорости летом, когда Земля движется в обратном направлении. Не так много по сравнению со скоростью света, которая равна примерно 300 000 километров в секунду, однако Майкельсон сконструировал хитроумное устройство, известное под названием интерферометра, чрезвычайно чувствительное к малейшим изменениям скорости в разных направлениях. Ученые получили тот же самый ответ, к которому пришли мы в своем мысленном эксперименте: скорость света всегда одна и та же, независимо от того, насколько быстро мы движемся.

Научные достижения редко бывают простыми и однозначными, и как правильно интерпретировать результат эксперимента Майкельсона—Морли, ученые также догадались не сразу. А вдруг Земля тянет за собой эфир, из-за чего наша относительная скорость оказывается совсем небольшой? После некоторого неистового теоретизирования с метанием от одной идеи к другой физики все же пришли к выводу, который сегодня считается единственно верным: скорость света представляет собой универсальную константу. Для любого наблюдателя скорость света всегда одна и та же, независимо от того, с какой скоростью он сам двигался при проведении измерений.[64]64
  Некоторую историческую информацию вы найдете в книге Miller, A. I. Albert Einstein’s Special Theory of Relativity. Emergence (1905) and Early Interpretation (1905–1911). Reading: Addison-Wesley, 1981.


[Закрыть]¹ Всю суть специальной теории относительности можно свести к двум основным принципам:

    никакие локальные эксперименты не позволяют отличить наблюдателей, движущихся с постоянными скоростями;

    скорость света одинакова для всех наблюдателей.

Используя выражение «скорость света», мы неявно подразумеваем, что речь идет о скорости, с которой свет движется через пустое пространство. Ничуть не сложно заставить свет двигаться с другой скоростью – нужно всего лишь поместить на его пути прозрачную среду. Сквозь стакан с водой свет проходит медленнее, чем сквозь пустое пространство, однако это ничего особенного о законах физики не говорит. Действительно, в этой пьесе главную роль играет не свет как таковой. Для нас важнее всего то, что в пространстве—времени существует некоторая специальная скорость – просто так получилось, что свет распространяется с этой скоростью в пустом пространстве. Ключевой момент – это существование предела скорости, а не способность света двигаться настолько быстро.

Необходимо остановиться и осознать, насколько это все удивительно. Предположим, вы находитесь в космическом корабле, а ваш друг, также путешествующий в космосе, сигналит вам фонариком из иллюминатора своего космического судна. Вы измеряете скорость света от фонарика и видите, что она равна 300 000 километров в секунду. Затем включаете двигатели и начинаете ускоряться навстречу другу, пока не достигаете скорости 200 000 километров в секунду. Вы снова измеряете скорость света, излучаемого фонариком, и снова получаете тот же результат: 300 000 километров в секунду. Безумие какое-то! Любой человек в здравом уме ожидал бы, что результат будет равен 500 000 километров в секунду. Что же происходит?

Ответ, согласно специальной теории относительности, заключается в том, что от системы отсчета зависит не скорость света, а то, что мы понимаем под «километром» и «секундой». Когда мимо нас на большой скорости проносится линейка, мы наблюдаем эффект «сокращения длины» – кажется, что она короче такой же линейки, находящейся в покое относительно нашей системы координат. Аналогичным образом, если мимо нас на большой скорости проносятся часы, для них происходит «растяжение времени» – кажется, что они идут медленнее часов, находящихся в покое. Действуя совместно, эти явления точно компенсируют любое относительное движение, поэтому для любого наблюдателя скорость света всегда остается одной и той же.[65]65
  Для того чтобы в реальности испытать сокращение длины или растяжение времени, нам потребуются либо невероятно точные измерительные приборы, либо аппарат, позволяющий перемещаться со скоростью, близкой к скорости света. В нашей жизни ни подобные приборы, ни подобные аппараты на каждом углу не встречаются, из-за чего вся эта специальная теория относительности кажется нам такой нелогичной и непонятной. Несомненно, тот факт, что большинство окружающих нас объектов движутся с малыми относительными скоростями по сравнению со скоростью света, – интересная особенность окружающего мира, и полная теория Вселенной должна попытаться ее объяснить.


[Закрыть]²

Существует важное следствие инвариантности скорости света: ничто не может двигаться быстрее света. Доказать это довольно просто; представьте, что вы в ракете пытаетесь перегнать свет, излучаемый фонариком. В начальный момент времени ракета неподвижна (в нашей системе координат), а свет движется со скоростью 300 000 километров в секунду. Затем ракета изо всех сил ускоряется, набирая колоссальную скорость. Когда команда ракеты измеряет скорость света от фонарика (теперь находящегося на большом удалении), они убеждаются, что свет все так же распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду. Что бы они ни делали, как бы сильно и долго ни ускорялись, свет все равно движется быстрее, и его относительная скорость всегда одна и та же.[66]66
  Вероятно, вам кажется, что этот пример не доказывает невозможность движения со скоростью, превышающей скорость света, – только невозможность разогнать медленный объект, то есть придать ему ускорение, позволяющее достигнуть и превысить скорость света. Возможно, существуют какие-то объекты, всегда движущиеся со скоростью выше скорости света, и их даже не требуется для этого как-то специально ускорять. Такая логическая возможность действительно существует; соответствующие гипотетические частицы называют тахионами. Однако, насколько нам известно, в реальном мире тахионы не существуют, и это даже хорошо: возможность отправлять сигналы со скоростью выше скорости света подразумевала бы возможность отправлять сигналы в прошлое, а это бы повергло в хаос все наши представления о причинно-следственных связях.


[Закрыть]³ (В их системе отсчета, конечно. С точки зрения внешнего наблюдателя скорость ракеты постепенно приближается к скорости света, но никогда не достигает ее.)

Несмотря на то что сокращение длины и растяжение времени прекрасно согласуются со специальной теорией относительности, обычных людей эти явления могут ввести в заблуждение. Когда мы говорим о «длине» какого-то физического объекта, мы имеем в виду, что объект надо измерить от одного конца до другого. Но при этом мы подразумеваем, что измерение должно производиться одномоментно. (Если вы отметите на стене уровень пола, а затем вскарабкаетесь на стремянку и сделаете вторую отметку на уровне головы, то не сможете утверждать, что расстояние между двумя метками отражает ваш реальный рост.) Однако дух специальной теории относительности говорит нам, что не следует делать никаких заявлений относительно удаленных друг от друга событий, происходящих одновременно. Значит, давайте подойдем к проблеме с другой стороны и разложим по полочкам все, что знаем о таком понятии, как пространство—время.