Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   66


Сегодня мы постоянно погружены в океан электромагнитных полей. Ваш сотовый телефон и автомобильное радио работают на громадных расстояниях, поскольку электромагнитные поля, передаваемые телефонными компаниями и радиостанциями покрывают впечатляюще широкие области пространства. То же самое относится к беспроводным Интернет-соединениям; компьютеры могут выудить целую WWW-сеть из электромагнитных полей, которые колыхаются вокруг нас, – фактически, прямо сквозь нас. Конечно, во времена Максвелла электромагнитные технологии были менее развиты, но среди ученых его подвиг был, тем не менее, признан: используя язык полей, Максвелл показал, что электричество и магнетизм, хотя они первоначально выглядели как отдельные явления, в действительности оказываются просто разными проявлениями одной физической сущности.


Позднее мы столкнулись с другими видами полей – гравитационные поля, ядерные поля, поля Хиггса и так далее – и стало все более ясно, что концепция поля является центральной для нашей современной формулировки физических законов. Но в то время следующий критический шаг в нашей истории произошел также из-за Максвелла. В дальнейшем анализе своих уравнений он нашел, что изменения или возмущения электромагнитного поля путешествуют подобно волнам с особой скоростью: 670 миллионов миль в час. Поскольку это в точности та величина, которую другие эксперименты нашли для скорости света, Максвелл заключил, что свет должен быть ничем иным, как электромагнитной волной, такой, что имеет правильные свойства для взаимодействия с химическими веществами в нашей сетчатке и дает нам чувство зрения. Это достижение сделало открытия Максвелла, уже великие, тем более выдающимися: оно связало силы, производимые магнитами, влияние, оказываемое электрическими зарядами, и свет, который мы используем, чтобы видеть вселенную, – но оно также подняло глубокий вопрос.


Когда мы говорим, что скорость света составляет 670 миллионов миль в час, ощущения и наши предыдущие обсуждения учат нас, что это будет бессмысленным утверждением, если мы не определим, относительно чего измеряется эта скорость. Забавная вешь, что уравнения Максвелла просто дают это число, 670 миль в час, без точного определения или очевидного указания на любую такую систему отсчета. Это было похоже на то, как если бы кто-нибудь указал место для вечеринки, как 22 мили севернее, без точного определения положения точки отсчета, без точного определения, севернее чего. Многие физики, включая Максвелла, пытались объяснить скорость в его уравнениях, действуя следующим образом: привычные волны, такие, как океанские волны или волны звука, переносятся посредством субстанции, среды-переносчика. Океанские волны переносятся водой. Звуковые волны переносятся воздухом. И скорость этих волн определяется по отношению к среде-переносчику. Когда мы говорим, что скорость звука при комнатной температуре составляет 767 миль в час (скорость, также известная как 1 Мах после того, как Эрнст Мах столкнулся с тем же ранее), мы имеем в виду, что звуковые волны путешествуют через неподвижный в других отношениях воздух с этой скоростью. Тогда, естественно, физики высказали догадку, что волны света – электромагнитные волны – должны также путешествовать через некую особенную среду, такую, которая никем не может быть увидена или детектирована, но которая должна существовать. Чтобы оказать этой невидимой светоносной материи должное почтение, ей было дано имя: светоносный эфир, или эфир для краткости, последнее суть античный термин, который Аристотель использовал для описания магической удерживающей субстанции, из которой, как представлялось, были сделаны небесные тела. И, чтобы привести это предложение в соответствие с результатами Максвелла, было выдвинуто предположение, что его уравнения неявно выражают взгляд кого-то, неподвижного по отношению к эфиру. Тогда 670 миллионов миль в час, появляющиеся в его уравнениях, есть скорость света относительно стационарного эфира.


Как вы можете видеть, имеется поразительное сходство между светоносным эфиром и ньютоновским абсолютным пространством. Они оба возникли в попытках обеспечить ссылку на систему отсчета для определения движения; ускоренное движение приводит к абсолютному пространству, движение света приводит к светоносному эфиру. Фактически, многие физики рассматривали эфир как приземленный взгляд на божественный дух, который, как были уверены Генри Мор, Ньютон и другие, пронизывает абсолютное пространство. (Ньютон и другие в его время даже использовали термин "эфир" в своем описании абсолютного пространства). Но что такое эфир в действительности? Что под ним понимать? Откуда он взялся? Везде ли он существует?


Эти вопросы об эфире те же самые, что сотни лет назад задавались об абсолютном пространстве. Но, в то время как полный принцип Маха для абсолютного пространства включал в себя круговое вращение в недостижимом полностью пустом пространстве, физики были в состоянии предложить исполнимые эксперименты для определения, существует ли эфир на самом деле. Например, если вы плывете по воде навстречу приходящей водяной волне, волна подступает к вам более быстро; если вы уплываете от волны, она подступает к вам более медленно. Аналогично, если вы движетесь через предполагаемый эфир навстречу или от наступающей световой волны, наступление световой волны по тем же причинам будет быстрее или медленнее, чем 670 миллионов миль в час. Но в 1887 году, когда Альберт Майкельсон и Эдвард Морли измеряли скорость света, они раз за разом находили точно ту же скорость 670 миллионов миль в час независимо от их движения или от движения источника света. Все разновидности искусных аргументов были придуманы, чтобы объяснить эти результаты. Может быть, предполагали некоторые, эксперименты непредумышленно сдвигали эфир вместе с тем, что двигается. Может быть, несколько смело, оборудование деформируется, когда оно движется через эфир, искажая результаты измерений. Но все это не сделало объяснение прозрачным, пока Эйнштейн не достиг своего революционного прозрения.[2]


Относительное пространство, относительное время


В июне 1905 года Эйнштейн написал статью с бесхитростным названием "К электродинамике движущихся тел", которая раз и навсегда повлекла за собой конец светоносного эфира. Одним ударом она также навсегда изменила наше представление о пространстве и времени. Эйнштейн формулировал идеи в статье в течение интенсивного пятинедельного периода в апреле и мае 1905 года, но спорные вопросы, которые она, наконец, похоронила, беспокоили его более десяти лет. В юности Эйнштейн боролся с вопросом, на что будет похожа световая волна, если вы догоняете ее точно со скоростью света. Поскольку вы и свет будете проносится через эфир точно с одной и той же скоростью, вы будете перемещаться полностью наравне со светом. А раз так, заключил Эйнштейн, с вашей точки зрения свет должен выглядеть так, как будто он не движется. Вы должны быть в состоянии потянуться и схватить в пригоршню неподвижный свет точно так, как вы можете зачерпнуть в горсть вновь выпавший снег.


Но здесь есть проблема. Она вызывается тем, что уравнения Максвелла не позволяют свету быть стационарным – то есть выглядеть так, как будто он все же стоит. И определенно, нет ни одного достоверного сообщения, что кто-то когда-либо действительно удерживал стационарный ком света. Итак, спрашивал юный Эйнштейн, что мы должны сделать с эти явным парадоксом?


Десятью годами позднее Эйнштейн дал миру свой ответ в его специальной теории относительности (СТО). Было много дебатов касательно интеллектуальных источников эйнштейновского открытия, но не было сомнений, что его непоколебимая вера в простоту сыграла определяющую роль. Эйнштейн был осведомлен, по меньшей мере, о некоторых экспериментах, которые не смогли найти доказательство существования эфира. Так зачем зацикливаться на попытках найти то, что расходится с экспериментами? Вместо этого Эйнштейн декларировал простой подход: экспериментам не удалось найти эфир потому, что нет никакого эфира. И поскольку максвелловские уравнения описывают движение света – движение электромагнитных волн – не надо привлекать никакую среду, эксперимент и теория приводят к одному и тому же заключению: свет, в отличие от любых других когда-либо встречавшихся видов волн, не нуждается в среде для своего распространения. Свет одинокий путешественник. Свет может путешествовать сквозь пустое пространство. Но что тогда нам делать с уравнениями Максвелла, дающими свету скорость 670 миллионов миль в час? Если нет эфира, чтобы обеспечить стандарт покоя, то что это такое, по отношению к чему интерпретируется эта скорость? И снова Эйнштейн нарушил конвенцию и ответил с максимальной простотой. Если теория Максвелла не привлекает никакого особого стандарта покоя, то наиболее простое объяснение заключается в том, что нам не нужен такой стандарт. Скорость света, декларировал Эйнштейн, равна 670 миллионов миль в час относительно чего угодно и всегда.


Итак, это определенно простое утверждение; оно хорошо согласуется с изречением, часто приписываемым Эйнштейну: "Делай все так просто, как это возможно, но не проще". Проблема в том, что оно также кажется сумасшедшим. Если вы бежите вслед за улетающим лучом света, здравый смысл диктует, что с вашей точки зрения скорость улетающего света должна быть меньше, чем 670 миллионов миль в час. Если вы бежите навстречу приближающемуся лучу света, здравый смысл диктует, что с вашей точки зрения скорость приближающегося света должна быть больше, чем 670 миллионов миль в час. На всем протяжении своей жизни Эйнштейн бросал вызов здравому смыслу, и этот случай не исключение. Он убедительно доказывал, что независимо от того, как быстро вы движетесь навстречу или прочь от луча света, вы всегда будете измерять его скорость 670 миллионов миль в час – ни на йоту быстрее, ни на йоту медленнее, несмотря ни на что. Это определенно решает парадокс, который ставил его в тупик в юности: теория Максвелла не допускает стационарного света, поскольку свет никогда не бывает стационарен; невзирая на ваше состояние движения, преследуете ли вы луч света, или убегаете от него, или просто стоите, свет сохраняет одну и ту же фиксированную и никогда не изменяющуюся скорость 670 миллионов миль в час. Но, мы естественно спросим, как может свет, вообще, вести себя таким странным образом?


Задумаемся на минуту о скорости. Скорость измеряется тем, как далеко что-либо сдвигается и как долго оно будет попадать в конечное состояние. Это измерение пространства (протяженность путешествия), поделенное на измерение времени (продолжительность перемещения). Всегда со времен Ньютона пространство рассматривалось как абсолютное, как существующее вовне, как существующее "безотносительно к чему-нибудь внешнему". Измерения пространства и пространственных промежутков должны, следовательно, также быть абсолютными: независимо от того, кто измеряет расстояние между двумя телами в пространстве, если измерения проведены адекватным образом, ответы всегда будут согласованы. И хотя мы еще не обсуждали это напрямую, Ньютон декларировал, что то же самое справедливо и для времени. Его описание времени в Принципах подражает языку, который он использовал для пространства: "Время существует само по себе и течет одинаково безотносительно к чему-нибудь внешнему". Другими словами, согласно Ньютону, имеется универсальная, абсолютная концепция времени, которая применима везде и всегда. Во вселенной Ньютона независимо от того, кто измеряет, сколько времени требуется для того, чтобы что-то произошло, если измерения проделаны аккуратно, ответы всегда будут согласованы.


Эти допущения о пространстве и времени совпадают с нашим повседневным опытом, и по этой причине являются основанием нашего заявления на основе здравого смысла, что свет должен перемещаться более медленно, если мы догоняем его. Чтобы увидеть это, представим, что Барт, который только что получил новую доску для скейта на ядерном двигателе, решает принять наивысший вызов и догнать луч света. Хотя он немного расстроился, увидев, что максимальная скорость доски равна только 500 миллионов миль в час, он решил дать ей шанс на лучший выстрел. Его сестра Лиза встала в готовности с лазером; она ведет обратный отсчет от 11 (любимое число ее героя Шопенгауэра), и когда она достигает 0, Барт и луч лазера стартуют на дистанцию. Что видит Лиза? Итак, за каждый прошедший час Лиза видит, что свет пролетел 670 миллионов миль, тогда как Барт – только 500 миллионов миль, так что Лиза правильно заключит, что свет обогнал Барта на 170 миллионов миль за час. Теперь привлечем Ньютона в нашу историю. Его взгляды требуют, чтобы наблюдения Лизы над пространством и временем являлись бы абсолютными и универсальными в том смысле, что кто угодно, если он проведет эти измерения, должен получить те же ответы. Для Ньютона такие факты о движении через пространство и время были так же объективны, как два плюс два равно четырем. Тогда, согласно Ньютону, Барт согласится с Лизой и сообщит, что луч света обогнал его на 170 миллионов миль за час.


Но когда Барт вернется, он не согласится совсем. Вместо этого он уныло заявит, что безразлично,что он делал – безразлично, сколько он выжимал из скейта, – он увидел скорость удаления света 670 миллионов миль в час, ни на йоту меньше.[3] И если вы по неким причинам не верите Барту, примите во внимание, что на протяжении последних ста лет были проведены тысячи таких же дотошных экспериментов, которые измеряли скорость света, используя движение источников и приемников, обеспечивая точность проводимых наблюдений.


Как такое может быть?


Эйнштейн разгадал это, и найденный им ответ является логически еще более глубоким дальнейшим развитием нашего обсуждения. Должно быть, что измерения Бартом расстояний и длительностей, входные данные, которые он использует для вычисления, как быстро свет удаляется от него, отличаются от измерений Лизы. Подумайте об этом. Поскольку скорость есть ни что иное, как расстояние, деленное на время, для Барта нет иного пути, чтобы найти отличный от Лизиного ответ, как быстро свет убегает от него. Итак, заключил Эйнштейн, ньютоновские идеи об абсолютном пространстве и абсолютном времени ложны. Эйнштейн сделал вывод, что эксперименты людей, которые движутся друг относительно друга, как Барт и Лиза, не будут находить одинаковые значения измерений для расстояний и длительностей. Головоломные экспериментальные данные о скорости света могут быть объяснены, только если их восприятия пространства и времени различны.


Изощренный, но не злонамеренный


Относительность пространства и времени это поразительное заключение. Я знаю о ней более чем двадцать пять лет, но даже теперь, всякий раз, когда я спокойно сижу и обдумываю это, я удивляюсь. Из хорошо установленного утверждения, что скорость света есть константа, мы заключаем, что пространство и время существуют в глазах очевидца. Каждый из нас носит свои собственные часы, наш собственный монитор передвижения во времени. Каждые часы одинаково точны, хотя когда мы движемся относительно других, наши часы не согласуются. Их синхронизация расстраивается; они измеряют различные величины прошедшего времени между двумя выбранными событиями. То же самое справедливо и для расстояния. Каждый из нас носит свою собственную линейку, наш собственный монитор расстояния в пространстве. Каждая линейка одинаково точна, хотя когда мы движемся относительно других, наши линейки не согласуются; они измеряют различные расстояния между местоположениями двух определенных событий. Если бы пространство и время не вели себя указанным образом, скорость света не была бы постоянной и зависела бы от состояния движения наблюдателя. Но она постоянна; пространство и время ведут себя указанным образом. Пространство и время приспосабливаются таким образом, чтобы точно компенсировать различия в состоянии движения, так что наблюдения за скоростью света дают один и тот же результат независимо от скорости наблюдателя.


Получение количественных деталей того, насколько точно различаются измерения пространства и времени, более запутано, но требует только институтской алгебры. Это не глубины математики, которые делают эйнштейновскую специальную теорию относительности сложной. Это ступень, на которой идеи становятся чуждыми и очевидно не согласующимися с повседневным опытом. Но однажды Эйнштейн получил ключевое прозрение – объяснение, которое потребовалось ему для разрушения более чем двухсотлетних взглядов Ньютона на пространство и время, – оно было не сложным для выполнения в деталях. Он смог точно показать, как измерения одной персоной расстояний и длительностей должны отличаться от таких измерений другой персоны для обеспечения того, что каждый измеряет одинаковую скорость света.[4] Чтобы понять более полный смысл того, что нашел Эйнштейн, представим себе Барта, который с тяжелым сердцем провел принудительную настройку своей доски для скейта, которая теперь имеет максимальную скорость 65 миль в час. Если он направляется точно на север с максимальной скоростью, – читая, посвистывая, зевая и иногда поглядывая на дорогу, – а затем вливается в автостраду, ведущую в северо-восточном направлении, его скорость в северном направлении будет меньше, чем 65 миль в час. Причина этого ясна. Сначала вся его скорость тратится на движение к северу, но когда он немного изменит направление, некоторая часть этой скорости отвлекается в восточном направлении, оставляя немного меньшую часть в северном направлении. Эта предельно простая идея, как ни странно, позволяет нам ухватить суть СТО. Начнем же:


Мы привыкли к факту, что объекты могут двигаться сквозь пространство, но есть иной вид движения, который одинаково важен: объекты также могут двигаться сквозь время. Прямо сейчас часы на вашем запястье и часы на стене отстукивают, показывая, что вы и все вокруг вас неотвратимо движетесь во времени, неотвратимо от одной секунды к другой и последующим. Ньютон думал, что движение через время полностью отделено от движения через пространство, – он думал, что эти два вида движения никак друг на друга не влияют. Но Эйнштейн нашел, что они теснейшим образом связаны. Фактически, революционное открытие СТО заключается в следующем: Когда вы смотрите на что-нибудь вроде припаркованного автомобиля, который стационарен с вашей точки зрения, – то есть, не движется через пространство, – все его движение есть движение через время. Автомобиль, его водитель, улица, вы, ваша одежда – все это движется через время с превосходной синхронизацией: секунда следует за секундой, отстукиваясь равномерно. Но если автомобиль уезжает, некоторая часть его движения через время тратится на движение через пространство. И точно так же, как скорость Барта в северном направлении уменьшается, когда он тратит некоторую часть своего движения к северу на движение к востоку, скорость автомобиля через время уменьшается, когда он тратит некоторую часть своего движения через время на движение через пространство. Это значит, что перемещение автомобиля через время замедляется и, следовательно, время протекает более медленно для движущегося автомобиля и его водителя, чем оно протекает для вас и всего, что остается стационарным.


Это, вкратце, и есть СТО. На деле, мы можем быть немного точнее и продолжить описание на один шаг дальше. Вследствие новой настройки скейта Барт не имеет иного выбора, кроме ограничения его максимальной скорости величиной 65 миль в час. Это важно для нашей истории, поскольку, если бы он достаточно ускорился, когда он повернул на северо-восток, он смог бы скомпенсировать изменение скорости и поэтому достиг бы той же самой исходной скорости в направлении к северу. Но из-за настройки, неважно, насколько сильно он нагружал двигатель скейта, его полная скорость – комбинация его скорости по направлению к северу и его скорости по направлению к востоку – остается фиксированной на максимуме 65 миль в час. Так что когда он меняет свое направление даже на йоту в сторону востока, он неизбежно получает уменьшение направленной на север скорости.


СТО декларирует аналогичный закон для любого движения: общая скорость любого движения объекта через пространство и его движения через время всегда в точности равна скорости света. Во-первых, вы можете инстинктивно отвергнуть это утверждение, поскольку все мы привыкли к идее, что ничто, кроме света, не может двигаться со скоростью света. Но эта привычная идея относится исключительно к движению через пространство. Мы же сейчас говорим о чем-то связанном, но к тому же более общем: об объединенном движении объекта через пространство и время. Ключевой факт, открытый Эйнштейном, что эти два вида движения всегда взаимно дополнительны. Когда припаркованный автомобиль, который вы видели, уезжает, реально происходит то, что некоторая часть его движения со скоростью света отвлекается от движения через время на движение через пространство, сохраняя полную объединенную скорость неизменной. Такое отвлечение неизбежно означает, что движение автомобиля через время замедляется.


В качестве примера, если Лиза могла бы увидеть часы Барта, когда он летел со скоростью 500 миллионов миль в час, она увидела бы, что они тикают примерно со скоростью две трети от скорости ее собственных часов. За каждые три часа, которые пройдут по часам Лизы, она увидит, что по часам Барта прошло только два часа. Его быстрое движение через пространство обеспечивает существенное снижение его скорости через время.


Более того, максимальная скорость через пространство достигается тогда, когда все движение со скоростью света через время полностью израсходуется на движение со скоростью света через пространство – это один из способов понять, почему через пространство невозможно двигаться со скоростью, большей скорости света. Свет, который всегда путешествует со скоростью света через пространство, особый случай, в котором всегда достигается такое полное отвлечение движения. И точно также, как движение точно на восток не оставляет движения для перемещения на север, движение со скоростью света через пространство не оставляет движения для перемещения во времени! Время останавливается, если что-то перемещается со скоростью света через пространство. Часы, которые несла бы частица света, не будут тикать совсем. Свет реализует мечту Понсе де Леона* и косметической индустрии: он не стареет.[5]