Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы

Содержание


Пространство-время – придуманная эйнштейном абстракция или физическая сущность?
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   66


В течение столетия после ньютоновских трудов эти вопросы временами дебатировались, но ничего не происходило до середины 1800х, когда на сцене появился австрийский физик и философ Эрнст Мах, который предложил смелый, точный и экстремально важный новый взгляд на пространство – взгляд, который в свое время среди других вещей оказал глубокое влияние на Альберта Эйнштейна.


Чтобы представить взгляды Маха – или, более точно, современное прочтение идей, часто приписываемых Маху*, – вернемся на время к ведру. Есть кое-что странное в аргументах Ньютона. Эксперимент с ведром требует от нас объяснить, почему поверхность воды плоская в одной ситуации и вогнутая в другой. В погоне за объяснениями мы исследовали две ситуации и осознали, что ключевое отличие между ними, вращалась вода или нет. Конечно, мы пытались объяснить форму поверхности воды, аппелируя к состоянию ее движения. Но тут есть одна вещь: до введения абсолютного пространства Ньютон сосредоточился исключительно на ведре, как на возможной системе отсчета для определения движения воды, и, как мы видели, эта попытка провалилась. Но есть другие системы отсчета, которые мы можем естественным образом использовать для калибровки движения воды, такие как лаборатория, в которой проводится эксперимент – ее пол, потолок и стены. Или, если нам пришлось проводить эксперимент в солнечный день в открытом поле, окружающие здания, или деревья или почва под нашими ногами могут обеспечить "стационарную" систему отсчета для определения, вращается ли вода. И если нам пришлось проводить этот эксперимент во время парения в открытом пространстве, мы можем привлечь удаленные звезды в качестве нашей стационарной системы отсчета.


(*) "Имеются споры, касающиеся точных взглядов Маха на следующий ниже материал. Некоторые из его записей были немного двусмысленны, а некоторые из приписываемых ему идей выросли из более поздних интерпретаций его трудов. Поскольку он, кажется, был осведомлен об этих интерпретациях и никогда не предлагал уточнений, некоторые пришли к мысли, что он согласен с их заключениями. Но историческая точность будет лучше соблюдена, если всегда, когда я пишу "Мах утверждал" или "идеи Маха" вы будете читать это, подразумевая "доминирующую интерпретацию, предположительно инициированную Махом".


Это приводит к следующему вопросу. Мог ли Ньютон отбросить в сторону ведро как систему отсчета с такой легкостью, что он слишком быстро перескочил через относительные движения, которые мы склонны привлекать в реальной жизни, такие как между водой и лабораторией, или водой и землей, или водой и фиксированными звездами в небе? Может ли быть, что такое относительное движение способно описать форму поверхности воды, устраняя необходимость введения концепции абсолютного пространства? Это была линия вопросов, которой занялся Мах в 1870е годы.


Чтобы понять точку зрения Маха более полно, представьте, что вы парите в открытом пространстве, полном тишины, в отсутствие движения и веса. Вы осматриваетесь, и вы можете видеть удаленные звезды, и они действительно являются совершенно стационарными. (Это настоящее мгновение дзен). И прямо в это время кто-либо подплывает, хватает вас за какую-нибудь опору и придает вам круговое вращение. Вы отметите две вещи. Первое, ваши ноги и руки будут чувствовать отталкивание от вашего тела и, если вы им позволите двигаться, они оттолкнутся прочь. Второе, когда вы пристально вглядываетесь в направлении звезд, они больше не будут казаться стационарными. Вместо этого они будут казаться вращающимися по большой круговой дуге через удаленные небеса. Ваш опыт, таким образом, обнаруживает тесную связь между ощущением силы, действующей на ваше тело, и очевидным движением по отношению к удаленным звездам. Сохраните это в уме, когда мы будем проводить эксперимент снова, но в отличающихся внешних условиях.


Теперь представьте, что вы погрузились в черноту полностью пустого пространства: нет звезд, нет галактик, нет планет, нет атмосферы, нет ничего, кроме полной черноты. (Настоящее экзистенциальное мгновение). В это время, если вы начнете вращаться, будете ли вы чувствовать это? Будут ли ваши ноги и руки казаться отталкивающимися прочь? Наш опыт в повседневной жизни приводит нас к ответу "да": всякий раз, когда мы изменяем состояние от отсутствия вращения (состояние, в котором мы не чувствуем ничего) к вращению, мы чувствуем разницу, так как наши конечности отталкиваются прочь. Но рассматриваемый пример не похож ни на что, что любой из нас когда-либо ощущал. Во вселенной, насколько мы ее знаем, всегда есть другие материальные объекты или вблизи, или, в самом крайнем случае, вдали (как удаленные звезды), что может служить системой отсчета для наших различных состояний движения. Однако, в этом примере для вас нет абсолютно никакого способа, чтобы отличить "не вращение" от "вращения" путем сравнения с другими материальными объектами; там нет никаких других материальных объектов. Мах принял это наблюдение близко к сердцу и продвинул его на гигантский шаг дальше. Он предположил, что в этом случае также не может быть никакого способа, чтобы почувствовать отличие между различными состояниями вращения. Более точно Мах доказывал, что в пространстве, пустом во всех иных отношениях, нет отличий между вращением и не вращением – там нет концепции движения или ускорения, если нет точки отсчета для сравнения, – так что вращение и не вращение есть одно и то же. Если ньютоновские два камня, связанные вместе веревкой, приведены во вращение во вселенной, пустой во всех остальных отношениях, Мах утверждает, что веревка останется ослабленной. Если вы вращаетесь вокруг себя во вселенной, пустой во всем остальном, ваши ноги и руки не будут отталкиваться прочь, и флюиды не будут влиять на ваши уши; вы ничего не будете чувствовать.


Это глубокое и тонкое утверждение. Чтобы действительно прочувствовать его, вам нужно поместить себя в пример, убедительно и полностью представляющий черное, однородное, неподвижное, абсолютно пустое пространство. Это не похоже на темную комнату, в которой вы чувствуете пол под вашими ногами, или в которой ваши глаза слабо различают маленькое количество света, просачивающееся снаружи через двери или окна; вместо этого вы представляете, что там нет вещей, так что нет пола и абсолютно нет света, чтобы привыкнуть к нему. Несмотря на то, что вы смотрите или протягиваете руку, вы абсолютно ничего не увидите и не почувствуете. Вы заключены в кокон неизменной черноты без каких-либо материальных точек отсчета для сравнения. А без таких точек отсчета, доказывает Мах, сами концепции движения и ускорения теряют смысл. Это не только то, что вы ничего не почувствуете, если вы вращаетесь; это более основная вещь. Во вселенной, пустой во всех остальных отношениях, состояния полной неподвижности и равномерного вращения неразличимы.*


(*) "Хотя мне нравятся примеры с человеческим телом, поскольку они устанавливают немедленную связь между физикой, которую мы обсуждаем, и природными ощущениями, помехой является наша способность двигать по собственной воле одну часть нашего тела относительно другой – на самом деле для использования одной части нашего тела в качестве точки отсчета для движения других частей (вроде кого-нибудь, кто крутит одну из своих рук по отношению к своей голове). Я выделяю однородное вращательное движение – вращательное движение, в котором каждая часть тела вращается совместно с другими, – чтобы избежать таких не имеющих отношения к делу усложнений. Итак, когда я говорю о вращении вашего тела, представьте себе, что, подобно ньютоновским двум камням, связанным веревкой, или фигуристу в финальные моменты олимпийской программы, каждая часть вашего тела вращается в той же степени, как и любая другая."


Ньютон, конечно, был не согласен. Он утверждал, что даже полностью пустое пространство все еще пространство. И хотя пространство не осязаемо или непосредственно не воспринимаемо, Ньютон доказывал, что оно все равно обеспечивает нечто, по отношению к чему о материальных объектах можно говорить как о движущихся. Но вспомним, как Ньютон пришел к этому заключению: он обдумывал вращательное движение и предположил, что результаты, привычные в лаборатории (поверхность воды становится вогнутой; Гомер чувствует давление со стороны стенки ведра; ваши руки отталкиваются прочь, когда вы раскручиваетесь; веревка, привязанная между двумя камнями, становится натянутой), останутся справедливыми, если эксперимент будет перенесен в пустое пространство. Это предположение привело его к поиску чего-нибудь в пустом пространстве, по отношению к чему движение может быть определено, и это что-нибудь он свел к самому пространству. Мах решительно опровергал ключевое предположение: он доказывал, что то, что происходит в лаборатории, не есть то, что будет происходить в полностью пустом пространстве.


Мах был первый, кто высказал существенные сомнения в ньютоновских работах за более чем два столетия, и со временем это внесло волну шока в сообщество физиков (и вне него: в 1909 во время жизни в Лондоне Владимир Ленин написал философский памфлет, который среди прочих вещей обсуждал аспекты трудов Маха[11]). Но, если Мах прав и нет определения вращения в пустой во всех иных смыслах вселенной, – состояние дел, которое отвергает ньютоновские установки для абсолютного пространства, – то все еще остается проблема объяснения земного эксперимента с ведром, в котором вода определенно принимает вогнутую форму. Без обращения к абсолютному пространству, – если абсолютное пространство не есть что-то, – как Мах будет объяснять форму воды? Ответ появляется из размышлений о простых возражениях по поводу аргументов Маха.


Мах, движение и звезды


Представим вселенную, которая не полностью пуста, как рассматривал Мах, но, вместо этого, имеет просто горстку звезд, разбросанных по небу. Если вы теперь осуществляете эксперимент по вращению в открытом пространстве, звезды – даже если они кажутся всего лишь отблесками света, приходящего с громадного расстояния, – обеспечивают средство калибровки вашего состояния движения. Если вы начинаете вращаться, удаленные отблески света будут казаться крутящимися вокруг вас. И поскольку звезды обеспечивают визуальную систему отсчета, которая позволяет вам отличить вращение от не вращения, вы можете ожидать, что вы его тоже почувствуете. Но как могут несколько удаленных звезд создать такое отличие, что их присутствие или отсутствие почему-то действуют как тумблер, который включает или выключает ощущение вращения (или более общо, ощущение ускоренного движения)? Если вы можете почувствовать вращательное движение во вселенной просто с несколькими удаленными звездами, это вообще означает, что идея Маха просто ложная, - вероятно, как предполагал Ньютон, в пустой вселенной вы все еще будете чувствовать вращение.


Мах предложил ответ на это возражение. В пустой вселенной, согласно Маху, вы ничего не чувствуете, если вы вращаетесь (более точно, там даже нет концепции вращения против не вращения). С другого конца спектра, во вселенной, населенной всеми звездами и другими материальными объектами, существующими в нашей реальной вселенной, отталкивающие силы на ваши руки и ноги есть то, что вы ощущаете, когда вы действительно вращаетесь. (Испытайте это). И – в этом суть – во вселенной, которая не пуста, но которая имеет меньше материи, чем наша, Мах предположил, что силы, которые вы будете ощущать от вращения, будут лежать между полным отсутствием и тем значением, которое вы будете ощущать в нашей вселенной. Так что силы, которые вы ощущаете, пропорциональны количеству материи во вселенной. Во вселенной с одной звездой вы будете чувствовать исчезающе малое воздействие на ваше тело, если вы начнете вращаться. С двумя звездами воздействие будет чуть сильнее, и так далее и тому подобное, пока вы не придете к вселенной с содержанием материала как в нашей собственной, в которой вы почувствуете полное обычное воздействие от вращения. В этом подходе силы, которые вы чувствуете от ускорения, возникают как коллективный эффект, коллективное влияние всей другой материи во вселенной.


С другой стороны, предложенное содержит все виды ускоренного движения, не только вращение. Когда самолет, на котором вы находитесь, ускоряется на взлетной полосе, когда машина, в которой вы находитесь, скрипит тормозами перед остановкой, когда лифт, в котором вы находитесь, начинает подъем, идеи Маха подразумевают, что силы, которые вы ощущаете, представляют собой объединенное влияние всей остальной материи, наполняющей вселенную. Если там больше материи, вы будете чувствовать большую силу. Если там меньше материи, вы будете чувствовать меньшую силу. И если там нет материи, вы не будете чувствовать вообще ничего. Итак, следуя пути рассуждений Маха, только относительное движение и относительное ускорение имеют смысл. Вы чувствуете ускорение только тогда, когда вы ускоряетесь относительно среднего распределения другого материала, населяющего космос. Без другого материала – без какой-либо точки отсчета для сравнения – не будет способа ощутить ускорение, утверждает Мах.


Для многих физиков это одно из наиболее привлекательных предположений о космосе, сделанных в течение последних более чем ста лет. Поколения физиков находили его крайне волнующим, вместо предположения, что неприкасаемая, неощутимая, несжимаемая ткань космоса в действительности есть нечто - нечто материальное, достаточное для обеспечения окончательной, абсолютной точки отсчета для движения. Для многих кажется абсурдным или, по меньшей мере, научно безответственным основывать представления о движении на чем-то настолько незаметном, настолько полностью лежащем вне наших ощущений, что это граничит с мистикой. Однако, те же самые физики были настойчивы в вопросе, как же в этом случае объяснить ньютоновское ведро. Взгляды Маха действуют воодушевляюще, поскольку они дают возможность новых ответов, один из которых, что пространство не есть нечто, возвращает нас назад к реляционистской концепции пространства, которую защищал Лейбниц. Пространство, с точки зрения Маха, очень сильно похоже на то, что представлял Лейбниц, – это язык для выражения отношений между положениями одних объектов и положениями других. Но, как алфавит без букв, пространство не обладает независимым существованием.


Мах против Ньютона


Я изучал идеи Маха, когда я был студентом, и они были подарком Бога. Здесь, в конце концов, дана теория пространства и движения, которая ставит все точки зрения на одинаковое основание, поскольку только относительное движение и относительное ускорение имеют смысл. Вместо ньютоновской точки отсчета для движения – невидимого нечто, именуемого абсолютным пространством, – предлагаемая Махом точка отсчета находится вовне, доступная наблюдению всех, – материя, распределенная по всему космосу. Я чувствовал уверенность Маха, что это ответ. Я также узнал, что я не одинок среди имеющих такую реакцию; я проследовал вдоль длинной линии физиков, включая Альберта Эйнштейна, которые были ошеломлены, когда впервые столкнулись с идеями Маха.


Прав ли Мах? Привлек ли Ньютон такое внимание к воронке в своем ведре, что он пришел к невыразительному заключению относительно пространства? Существует ли ньютоновское абсолютное пространство, или маятник решительно склоняется к реляционистской перспективе? В течение первых нескольких десятков лет после введения Махом его идей эти вопросы не могли иметь ответа. Причина, большей частью, была в том, что предположения Маха не составляли полную теорию или описание, поскольку он никогда не пытался определить, каким образом содержимое вселенной оказывает предлагаемое воздействие. Если его идеи были бы верны, то как удаленные звезды и дом у дороги вносят вклад в ваше ощущение, что вы вращаетесь, когда вы поворачиваетесь вокруг? Без определения физического механизма для реализации его предположений было тяжело изучать идеи Маха с какой-нибудь точностью.


С нашей современной точки зрения разумной гипотезой является то, что гравитация может делать кое-что, оказывая влияния, содержащиеся в предположениях Маха. В следующие десятилетия эта возможность привлекла внимание Эйнштейна, и он почерпнул из предложений Маха большое вдохновение во время разработки своей собственной теории гравитации, общей теории относительности. Когда пыль от теории относительности окончательно осела, сам вопрос, является ли пространство чем-то – и чей взгляд на пространство является правильным, абсолютистский или реляционистский, – трансформировался таким образом, что вдребезги разбил все предыдущие способы рассмотрения вселенной.

3 Относительность и абсолют


ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ – ПРИДУМАННАЯ ЭЙНШТЕЙНОМ АБСТРАКЦИЯ ИЛИ ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ?


Некоторые открытия обеспечивают ответы на вопросы. Другие открытия настолько глубоки, что бросают на вопросы совершенно новый свет, показывая, что предыдущие тайны не осознавались из-за недостатка знаний. Мы можем тратить время жизни – в античности некоторые так и делали – интересуясь тем, что произойдет, когда вы достигнете края земли, или пытаясь постигнуть, кто или что живет в земных недрах. Но когда вы изучите, что Земля круглая, вы увидите, что предыдущие тайны не решены; вместо этого они оказались не имеющими отношения к делу.


В течение первых десятилетий двадцатого столетия Альберт Эйнштейн совершил два глубоких открытия. Каждое повлекло за собой радикальную перетряску нашего понимания пространства и времени. Эйнштейн демонтировал жесткую абсолютную структуру, которую соорудил Ньютон, и выстроил свою собственную башню, объединив пространство и время способом, который был полностью неожиданным. Когда он закончил, время оказалось настолько перепутанным с пространством, что реальность одного нельзя больше обдумывать отдельно от реальности другого. Итак, к третьему десятилетию двадцатого века вопрос о реальности пространства устарел; настала, как мы коротко говорили об этом, эйнштейновская реформация: является ли пространство-время чем-то? С этим обманчиво незначительным изменением наши представления об арене реальности были полностью трансформированы.


Пусто ли пустое пространство?


Свет был главным героем в релятивистской драме, написанной Эйнштейном в первые годы двадцатого столетия. И это было заслугой Джеймса Клерка Максвелла, который подготовил почву для впечатляющих Эйнштейновских прозрений. В середине 1800х Максвелл открыл четыре важных уравнения, что, в первую очередь, установило строгую теоретическую основу для понимания электричества, магнетизма и их внутренних взаимоотношений.[1] Максвелл разработал эти уравнения при тщательном изучении трудов английского физика Майкла Фарадея, который в начале 1800х провел десятки тысяч экспериментов, которые раскрыли до того времени неизвестные особенности электричества и магнетизма. Ключевым достижением Фарадея была концепция поля. Позже развитая Максвеллом и многими другими, эта концепция оказала громадное влияние на физические исследования во время последних двух столетий и легла в основу многих маленьких тайн, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Когда вы проходите через контроль в аэропорту, как происходит, что машина, которая не прикасается к вам, может определить, несете ли вы металлические объекты? Когда вы проходите флюорографическое обследование, как происходит, что прибор, который остается вне вашего тела, может выдать детальную картину ваших внутренностей? Когда вы смотрите на компас, как происходит, что вращающаяся стрелка указывает на север, даже если кажется, что ничто ее не подталкивает? Привычный ответ на последний вопрос привлекает земное магнитное поле, и концепция магнитного поля помогает объяснить также и предыдущие два примера.


Я никогда не видел лучшего способа понять внутренний смысл магнитного поля, чем демонстрационный опыт элементарной школы, в котором железные опилки рассыпаются вблизи бруска магнита. После легкого встряхивания железные опилки выстраиваются упорядоченным образом в виде арок, которые начинаются у северного полюса магнита и огибают его вокруг, чтобы закончиться у южного полюса магнита, как показано на рис.3.1. Картина, очерченная железными опилками, есть непосредственное проявление того, что магнит создает невидимое нечто, которое пронизывает пространство вокруг него, – нечто, которое может, например, вызывать силы, действующие на чешуйки металла. Невидимое нечто есть магнитное поле и в соответствии с нашей интуицией оно похоже на дымку или эссенцию, которая может заполнять область пространства и, тем самым, вызывать силы вне области физического присутствия самого магнита. Магнитное поле обеспечивает магниту то же, что армия обеспечивает диктатору и что аудиторы обеспечивают информационно-поисковой системе: влияние вне их физических границ, которое позволяет силам действовать вовне в виде "поля". Поэтому магнитное поле также называется силовым полем.


Рис 3.1 Железные опилки, рассыпанные вблизи бруска магнита, очерчивают его магнитное поле. Эта способность магнитного поля распространяться и заполнять пространство делает его столь полезным. Магнитное поле в металлодетекторе аэропорта проникает сквозь вашу одежду и побуждает металлические объекты выдать наружу свои собственные магнитные поля – поля, которые затем оказывают обратное влияние на детектор, заставляя его подавать тревогу звонком. Магнитное поле флюорографического аппарата проникает в ваше тело, побуждая отдельные атомы вращаться по кругу точно таким образом, чтобы генерировать их собственные магнитные поля – поля, которые машина может обнаружить и декодировать в виде картины внутренних тканей. Магнитное поле Земли протекает через компас, окружая и вращая стрелку, заставляя ее указывать вдоль дуги поля, которая в результате чудовищно долгих геофизических процессов развернута примерно в направлении юг-север.


Магнитные поля являются одним из привычных видов поля, но Фарадей также анализировал другой: электрическое поле. Это поле заставляет ваш шерстяной шарф потрескивать, обжигает вашу руку в покрытой ковром комнате, когда вы касаетесь металлической дверной ручки, и щиплет вашу кожу, когда вы поднимаетесь в горы во время мощной грозы. И если вам случится испытать компас во время такой грозы, направление его магнитной стрелки отклонится от курса, что в случае, когда электрические разряды молнии сверкают рядом, даст вам намек на глубокую взаимосвязь между электрическим и магнитным полями, – примерно это впервые было открыто датским физиком Гансом Эрстедом и тщательно исследовано Фарадеем путем дотошных экспериментов. Точно так, как развитие фондового рынка может влиять на рынок облигаций, который может, в свою очередь, влиять на фондовый рынок и так далее, эти ученые нашли, что изменения в электрическом поле могут производить изменения в близком магнитном поле, которое может затем вызвать изменения в электрическом поле и так далее. Максвелл нашел математический фундамент этой взаимозависимости, и, поскольку его уравнения показывают, что электрическое и магнитное поля переплетены так же, как волоски в растаманских ужасных прическах, они в конечном счете были названы электромагнитными полями, а влияние, которое они оказывают, электромагнитными силами.