Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материала

Документы

Содержание Что означает быть разделенным в квантовой вселенной?

Подобный материал:

• Тема 2 Социальное пространство и социальная структура. Понятие социального пространства, 586.13kb.
• Программа вступительного экзамена по специальности в магистратуру физического факультета, 209.43kb.
• Название работы, 371.8kb.
• Политическое сознание. (Ольшанский) Структура сознания в русле методологии деятельностного, 37.54kb.
• Реферат по дисциплине: Философия на тему: Время и пространство в философии, 382.06kb.
• Схемы, пространство-время и мышление в контексте проблемы освоения интеллектуальных, 160.25kb.
• Социальное пространство компьютерно-опосредованной реальности: опыт феноменологической, 295.3kb.
• Романтика космоса, 1113.61kb.
• «Химия космоса», 282.27kb.
• Цикл семинаров «новые парадигмы для человечества. Структура реальности. Природа человека», 90.37kb.

Подводя итоги, только те индивидуумы, которые свободно парят, безотносительно к тому, находятся ли они в глубинах внешнего пространства или на пути к столкновению с земной поверхностью, будут справедливы, утверждая, что они не чувствуют ускорения. Если вы следуете за таким наблюдателем и имеется относительное ускорение между вами двумя, то, согласно Эйнштейну, вы ускоряетесь.


В качестве фактического примера отметим, что ни Итчи, ни Скрэтчи, ни Эп, ни Мартин не могут в полном смысле слова быть уверены в своих словах, что они были стационарны во время дуэли, поскольку все они чувствовали притяжение от гравитации вниз. Это никак не сказывается на нашей предыдущей дискуссии, поскольку там мы были ограничены только горизонтальным движением, движением, которое не было подвержено вертикальному тяготению, ощущавшемуся всеми участниками. Но как важный пункт идеи, связь, которую Эйнштейн нашел между гравитацией и ускорением, означает, еще раз, что мы уверены только в наблюдаемой стационарности тех наблюдателей, которые не чувствуют каких бы то ни было сил.


Изобретя связь между гравитацией и ускорением, Эйнштейн был теперь готов принять вызов Ньютона и найти объяснение, как гравитация оказывает свое воздействие.


Деформации, искривления и гравитация


В СТО Эйнштейн показал, что каждый наблюдатель разрезает пространство-время на параллельные сечения, которые он или она рассматривает как представляющие все пространство в последовательные моменты врмени, с неожиданным поворотом, что наблюдатели, двигающиеся относительно других с постоянной скоростью будут разрезать пространство-время под другим углом. Если один такой наблюдатель начнет ускоряться, вы можете предположить, что изменения момент-за-моментом в его скорости и/или в направлении движения будут приводить к изменениям момент-за-моментом в наклоне и ориентации его сечений. Грубо говоря, именно это и происходит. Эйнштейн (используя геометрические озарения, озвученные Карлом Фридрихом Гауссом, Георгом Бернхардом Риманом и другими математиками 19-го столетия) разработал эту идею, – как начальную, – и показал, что проведенные под разными углами разрезы пространственно-временного батона плавно сливаются в сечения, которые искривлены, но подогнаны друг к другу с таким же совершенством, как ложки на серебряном подносе, как схематически проиллюстрировано на Рис. 3.8. Ускоренный наблюдатель искривляет пространственные сечения, так что они становятся деформированными.


С этой идеей Эйнштейн смог осуществить принцип эквивалентности в сильном варианте. Поскольку гравитация и ускорение эквивалентны, Эйнштейн понял, что сама гравитация должна быть ничем иным как деформациями и искривлениями в ткани пространства-времени. Посмотрим, что это означает.


Если вы катите мраморный шар вдоль гладкого деревянного пола, он перемещается по прямой линии. Но если вы ранее имели ужасное наводнение и пол рассохся со всеми сортами выпуклостей и деформаций, то катящийся мраморный шар больше не будет двигаться вдоль той же траектории. Вместо этого, траектория будет отклоняться туда и сюда деформациями и искривлениями на поверхности пола. Эйнштейн применил эту простую идею к ткани вселенной. Он представил, что в отсутствии материи или энергии – нет Солнца, нет Земли, нет звезд – пространство-время, подобно гладкому деревянному полу, не имеет деформаций и искривлений. Оно плоское. Это схематично иллюстрируется на Рис. 3.9а, на котором мы сосредоточились на одном сечении пространства. Конечно, пространство реально трехмерное, так что Рис. 3.9b более аккуратное изображение, но чертежи, которые иллюстрируют два измерения, более легко представить, поэтому мы будем продолжать пользоваться ими. Эйнштейн затем представил, что присутствие материи или энергии оказывает на пространство эффект, очень похожий на эффект, который наводнение оказало на пол. Материя и энергия, вроде Солнца, приводят пространство (и пространство-время*) к деформации и искривлению, как показано на Рис. 3.10а и 3.10b. И точно так же, как катящийся мраморный шар перемещается по деформированному полу вдоль кривой траектории, Эйнштейн показал, что любое движение через деформированное пространство – вроде того, как Земля движется в окрестности Солнца, – будет проходить вдоль кривой траектории, как показано на Рис 3.11а и 3.11b.


(*) "Легче нарисовать деформированное пространство, но вследствие их тесной связи, время также деформируется материей и энергией. И так же, как деформация пространства означает, что пространство растянуто или сжато, как на Рис 3.10, деформация времени означает, что время растянуто или сжато. Это значит, что часы, испытывающие различное гравитационное притяжение, – подобно одним на Солнце, а другим в глубоком пустом пространстве, – отсчитывают время с различной скоростью. Фактически, оказывается, что деформация пространства, происходящая от обычных тел вроде Земли или Солнца (в отличие от черных дыр), намного менее выражена, чем деформация, которую они причиняют времени". [15]


Это похоже на то, как будто материя и энергия оставляет след на сетке в виде углублений и бугров, вдоль которых объекты управляются невидимой рукой пространственно-временной ткани. Что, в соответствии с Эйнштейном, и есть то, как гравитация оказывает свое воздействие. Та же идея применима и рядом с домом. Прямо сейчас ваше тело как бы соскальзывает в углублении пространственно-временной ткани, вызванном присутствием Земли. Но ваше движение блокировано поверхностью, на которой вы сидите или стоите. Давление вверх, которое вы чувствуете едва ли не в каждый момент вашей жизни, – происходит ли оно от почвы, пола вашего дома, краешка удобного кресла или вашей двуспальной кровати, – действует так, чтобы удержать вас от соскальзывания по горбу в пространстве-времени. Напротив, если вы бросаетесь вниз с высоко летящей доски для дайвинга, вы отдаетесь гравитации, позволяя свободно перемещать ваше тело вдоль одной из пространственно-временных впадин.


Рис 3.8 В соответствии с ОТО не только пространственно-временной батон может быть рассечен на пространство в моменты времени под разными углами (от наблюдателей в относительном движении), но сами сечения будут в присутствии материи или энергии деформированы или искривлены.


Рисунки 3.9, 3.10 и 3.11 схематично показывают триумф десятилетней эйнштейновской борьбы. Много его работ в течение этих лет были нацелены на определение точной формы и размера деформаций, которые будут вызываться данным количеством материи или энергии. Математический результат, найденный Эйнштейном, лег в основу этих рисунков и воплощен в то, что называется полевыми уравнениями Эйнштейна. Как свидетельствует название, Эйнштейн видел деформацию пространства-времени как проявление – геометрическое воплощение – гравитационного поля. Чтобы придать проблеме геометрическую форму, Эйнштейну пришлось найти уравнения, которые для гравитации играют ту же роль, что уравнения Максвелла для электромагнетизма.[16]


(а) (b)


Рис 3.9 (а) Плоское пространство (2D версия), (b) Плоское пространство (3D версия).


(а) (b)


Рис 3.10 (а) Пространство, деформированное Солнцем (2D версия), (b) Пространство, деформированное Солнцем (3D версия). Используя эти уравнения, Эйнштейн и многие другие сделали предсказания для траектории, которой будет следовать эта или та планета, или даже для света, испущенного далекой звездой, когда он движется через искривленное пространство-время. Эти предсказания не только были подтверждены с высокой степенью точности, но и в соревновании голова к голове с предсказаниями ньютоновской теории теория Эйнштейна последовательно согласуется с реальностью с лучшей точностью.


Не менее важно, что, поскольку ОТО описывает детальный механизм действия гравитации, она обеспечивает математическую схему для определения, как быстро передается воздействие гравитации.


(а) (b)


Рис 3.11 Земля находится на орбите вокруг Солнца, поскольку она следует искривлению пространственно-временной ткани, обусловленной присутствием Солнца, (а) 2D версия, (b) 3D версия.


Скорость передачи сводится к вопросу о том, как быстро форма пространства может вызвать изменения во времени. Иначе говоря, как быстро могут деформации и рябь – рябь, подобная той, что возникает на поверхности пруда из-за бултыхнувшегося булыжника, – нестись от места к месту через пространство? Эйнштейн смог решить задачу, и ответ, к которому он пришел, был чрезвычайно радующий. Он нашел, что деформации и рябь, – то есть, гравитация – не распространяется от места к месту мгновенно, как это было в ньютоновских расчетах гравитации. Вместо этого, она путешествует в точности со скоростью света. Ни на йоту быстрее или медленнее, полностью придерживаясь ограничений скорости из СТО. Если инопланетяне сорвут Луну с ее орбиты, прилив начнет спадать на полторы секунды позже, точно в тот же самый момент, когда мы увидим, что Луна пропала. Где ньютоновская теория терпит неудачу, ОТО Эйнштейна торжествует.


ОТО и ведро


Помимо того, что ОТО дала миру математически элегантную, концептуально мощную и, в первую очередь, полностью непротиворечивую теорию гравитации, она также основательно преобразовала наш взгляд на пространство и время. Как в ньютоновской концепции, так и в СТО пространство и время обеспечивали неизменную платформу для событий вселенной. Хотя сечение космоса на пространство в последовательные моменты времени имело гибкость в СТО, недоступную в ньютоновские времена, пространство и время не реагировали на происходящее во вселенной. Пространство-время – батон, как мы его называли, – принимался как данность, раз и навсегда. В общей теории относительности все это поменялось. Пространство и время стали игроками в развивающемся космосе. Они ожили. Материя "здесь" заставляет пространство деформироваться "там", что заставляет материю двигаться через деформированную область, что заставляет пространственный путь через деформированную область искажаться еще больше, и так далее. ОТО обеспечивает хореографию для причудливого космического танца пространства, времени, материи и энергии.


Это ошеломляющее развитие. Но мы теперь вернемся к нашей центральной теме: Как насчет ведра? Обеспечила ли ОТО физическую основу для реляционистских идей Маха, на что надеялся Эйнштейн?


На протяжении лет этот вопрос породил много дебатов. Сначала Эйнштейн думал, что ОТО полностью включает в себя взгляды Маха, эту точку зрения он считал настолько важной, что окрестил указанные взгляды принципом Маха. Фактически, в 1913, когда Эйнштейн неистово работал, чтобы вставить на место заключительные кусочки ОТО, он написал Маху воодушевленное письмо, в котором описал, как ОТО подтвердит анализ Маха ньютоновского эксперимента с ведром.[17] И в 1918, когда Эйнштейн написал статью, перечисляющую три важнейшие идеи после ОТО, третьим пунктом в этом списке был принцип Маха. Однако, ОТО коварна и она содержит особенности, которые обсуждались физиками, включая самого Эйнштейна, многие годы, прежде чем удалось разобраться в них полностью. Лучше всех понимая эти особенности, Эйнштейн столкнулся с возрастающими трудностями, пытаясь полностью включить принцип Маха в ОТО. Мало по малу он стал терять иллюзии по поводу идей Маха, и в последние годы своей жизни пришел к отказу от них.[18]


После дополнительных пятидесяти лет исследований и сомнений мы можем по-новому рассмотреть рамки, в пределах которых ОТО соответствует рассуждениям Маха. Хотя все еще имеются некоторые разногласия, я думаю, что наиболее точным утверждением будет то, что в некоторых аспектах ОТО имеет отчетливый привкус махианства, но она не совпадает с полностью реляционистскими взглядами, которые защищал Мах. Это то, что я думаю.


Мах доказывал[19], что когда поверхность вращающейся воды становится вогнутой, или когда вы чувствуете, что ваши руки отбрасываются прочь, или когда веревка, привязанная между двумя камнями, туго натягивается, это не имеет ничего общего с некоторым гипотетическим – и, с его точки зрения, полностью вводящим в заблуждение, – понятием абсолютного пространства (или абсолютного пространства-времени в нашем более современном представлении). Напротив, он доказывал, что это есть проявление ускоренного движения по отношению ко всей материи, которая рассеяна по всему космосу. Не было бы материи, не было бы понятия ускорения и не происходило бы никаких измеримых физических эффектов (вогнутая вода, отбрасываемые руки, туго натянутая веревка).


Что говорит ОТО?


В соответствии с ней точкой отсчета для любого движения, а для ускоренного движения в особенности, являются свободно падающие наблюдатели – наблюдатели, которые полностью поддались гравитации и не подвергаются действию никаких других сил.


Далее, ключевым моментом является то, что гравитационная сила, которой уступает свободно падающий наблюдатель, возникает от всей материи (и энергии), рассеянной в космосе. Земля, Луна, удаленные планеты, звезды, газовые облака, квазары и галактики – все они вносят вклад в гравитационное поле (на геометрическом языке – в кривизну пространства-времени) прямо там, где вы сейчас сидите. Тела, которые более массивны и менее удалены, оказывают большее гравитационное воздействие, но гравитационное поле, которое вы чувствуете, представляет объединенное влияние материи, которая "не здесь".[20] Траектория, которой вы следуете, когда вы полностью поддались гравитации и получили свободное падение, – точка отсчета, которой вы стали, чтобы рассудить, являются ли некоторые другие объекты ускоренными, – будет подвержена влиянию от всей материи в космосе, от звезд в небесах и от соседней двери дома. Поэтому в ОТО, когда объект называют ускоряющимся, это значит, что объект ускоряется по отношению к точке отсчета, определяемой материей, распыленной по всей вселенной. Это заключение, которое вызывает ощущения, которые защищал Мах. Итак, в этом смысле ОТО включает в себя некоторые из размышлений Маха.


Тем не менее, ОТО не соответствует всем рассуждениям Маха, как мы можем прямо видеть из повторного рассмотрения вращающегося ведра в пустой во всех иных отношениях вселенной. В пустой неизменной вселенной – нет звезд, нет планет, нет совсем ничего – нет и гравитации.[21] А без гравитации пространство-время не деформировано - это соответствует простейшей неискривленной форме, показанной на Рис 3.9b, - а это значит, что мы вернулись в простейшее окружение СТО. (Вспомним, что Эйнштейн, пока разрабатывал СТО, игнорировал гравитацию. ОТО восполнила этот дефицит путем включения гравитации, но когда вселенная пуста и неизменна, там нет гравитации, так что ОТО сводится к СТО). Если мы теперь введем ведро в эту пустую вселенную, то оно имеет такую малую массу, что ее присутствие не окажет сильного воздействия на форму всего пространства. Так что обсуждение, которое мы вели ранее для ведра в СТО, также хорошо применимо для ОТО. В отличие от предсказаний Маха ОТО дает тот же ответ, как и СТО, и утверждает, что даже в пустой во всех иных отношениях вселенной вы будете чувствовать давление со стороны внутренней стенки вращающегося ведра; в пустой во всем остальном вселенной ваши руки будут отталкиваться прочь, если вы крутитесь кругом; в пустой во всем остальном вселенной веревка, привязанная между двумя крутящимися камнями, будет натягиваться. Заключение, к которому мы приходим, таково, что даже в ОТО пустое пространство-время обеспечивает точку отсчета для ускоренного движения. Отсюда следует, что хотя ОТО включает некоторые элементы размышлений Маха, она не присоединяется к полностью относительной концепции движения, которую отстаивал Мах.[22] Принцип Маха является примером провокационной идеи, которая обеспечила вдохновение для революционного открытия, хотя это открытие, в конечном счете, не включило в себя полностью породившую его идею.


Пространство-время в третьем тысячелетии


Вращающееся ведро имело долгую историю. От ньютоновского абсолютного пространства и абсолютного времени к реляционистским концепциям Лейбница и Маха, к осознанию Эйнштейном в СТО, что пространство и время относительны и только в их единстве возникает абсолютное пространство-время, к его последующему открытию в ОТО, что пространство-время является активным игроком в раскрывающемся взгляду космосе, ведро всегда присутствовало там. Прокрутив время в уме назад, видим, что ведро обеспечило простой и спокойный тест, является ли невидимый, абстрактный, неощутимый материал пространства – и, более общо, пространства-времени – реально достаточным, чтобы обеспечить полную систему отсчета для движения. Вердикт? Хотя проблема все еще обсуждается, как мы теперь видим, наиболее прямое прочтение Эйнштейна и его ОТО есть то, что пространство-время может обеспечить такую точку отсчета: пространство-время есть нечто.[23]


Хотя отметим, что это заключение также вызывает торжество среди последователей более широко определенного реляционистского мировоззрения. С точки зрения Ньютона, а также с точки зрения СТО пространство и пространство-время привлекаются как сущности, которые обеспечивают систему отсчета для определения ускоренного движения. И, поскольку в соответствии с этими точками зрения пространство и пространство-время абсолютно неизменяемы, это определение ускорения абсолютно. В ОТО, однако, характер пространства-времени совершенно иной. Пространство и время активны в ОТО: они изменчивы; они реагируют на присутствие массы и энергии; они не абсолютны. Пространство-время и, в особенности, способ, которым оно деформируется и искривляется, есть воплощение гравитационного поля. Так что в ОТО ускорение по отношению к пространству-времени далеко от абсолютной, непоколебимо нереляционистской концепции, привлекаемой предыдущими теориями. Вместо этого, как выразительно утверждал Эйнштейн за несколько лет до своей смерти,[24] ускорение по отношению к пространству-времени ОТО относительно. Это не ускорение относительно материальных объектов вроде камней или звезд, но это есть ускорение относительно чего-то точно существующего, материального и изменяемого: поля – гравитационного поля.* В этом смысле пространство-время – будучи инкарнацией гравитации – настолько реально в ОТО, что точка отсчета, которую оно обеспечивает, является тем, что многие реляционисты могут спокойно принять.


(*) "В СТО – специальном случае ОТО, в котором гравитационное поле равно нулю, – эта идея используется без изменений; нулевое гравитационное поле все еще поле, то есть нечто такое, что может быть измерено и изменено, а потому обеспечивает нечто, по отношению к чему может быть определено ускорение."


Дебаты по поводу проблем, обсуждавшихся в этой главе, будут, без сомнения, продолжены, как только мы нащупаем понимание того, что же представляют из себя пространство, время и пространство-время на самом деле. С развитием квантовой механики интрига только запутывается.


Концепция пустого пространства и пустоты получила в итоге новый смысл, на сцену вышла квантовая неопределенность. В самом деле, с 1905 года, когда Эйнштейн избавился от светоносного эфира, идея о том, что пространство заполнено невидимыми субстанциями, боролась за решительное возвращение. Как мы увидим в следующих главах, ключевые разработки в современной физике вводили заново различные формы подобных эфиру сущностей, ни одна из которых не устанавливала абсолютный стандарт для движения подобно первоначальному светоносному эфиру, но все из которых полностью подвергали сомнению наивную концепцию о том, что означает для пространства-времени быть пустым. Более того, как мы сейчас увидим, сама основная роль, которую пространство играет в классической вселенной, – как среда, которая отделяет один объект от другого, как промежуточный материал, который позволяет нам определенно утверждать, что один объект отличен и независим от другого, – основательно ставится под вопрос поразительными квантовыми связями.

4 Запутанное пространство


ЧТО ОЗНАЧАЕТ БЫТЬ РАЗДЕЛЕННЫМ В КВАНТОВОЙ ВСЕЛЕННОЙ?


Чтобы принять СТО и ОТО, надо отказаться от ньютоновского абсолютного пространства и абсолютного времени. Поскольку это не легко, вы можете потренировать ваш ум, чтобы сделать это. Всякий раз, когда вы перемещаетесь, представьте себе, что вы отодвигаетесь от текущих моментов, переживаемых всеми остальными, которые не движутся вместе с вами. В то время, как вы едете вдоль магистрали, представьте ваши часы, тикающие с отличающимся темпом по сравнению с хронометрами в домах, которые вы проезжаете. Пока вы обозреваете окрестности с вершины горы, представьте, что вследствие деформированного пространства-времени время для вас течет более быстро, чем для тех, кто подвержен действию более сильной гравитации на земле далеко внизу. Я говорю "представьте". Поскольку в обычных обстоятельствах, подобных перечисленным, релятивистские эффекты настолько мизерны, что проходят полностью незамеченными. Таким образом, повседневный опыт не может вскрыть, как на самом деле работает вселенная, и в этом причина, почему за сто лет после Эйнштейна почти никто даже среди профессиональных физиков не ощущает релятивистские эффекты в своих делах. Это не удивительно; затруднительно найти долговечные преимущества, предлагаемые глубоким пониманием теории относительности. Порочные ньютоновские концепции абсолютного пространства и абсолютного времени великолепно работают при малых скоростях и умеренной гравитации, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, так что наши чувства находятся в неизменном затруднении, чтобы обнаружить релятивистский мир. Следовательно, требуются глубокая осведомленность и правильное понимание того, что мы усердно используем наш интеллект, чтобы заполнить пробелы, оставляемые нашими чувствами.


В то время, как теория относительности представила монументальный слом традиционных идей о вселенной, другая революция между 1900 и 1930 перевернула физику вверх дном. Она началась на рубеже двадцатого столетия парой статей о свойствах радиации, принадлежащих одна Максу Планку, а другая Эйнштейну; они и привели после тридцати лет интенсивных исследований к формулировке квантовой механики. Как и с теорией относительности, чьи эффекты становятся существенными при экстремальных скоростях или гравитации, новая физика квантовой механики проявляется в полной мере только в другой экстремальной ситуации: в области экстремально малого. Однако есть резкое отличие между потрясениями, вызванными теорией относительности и квантовой механикой. Необычность теории относительности возникает вследствие того, что наши собственные ощущения пространства и времени отличаются от ощущений других. Это необычность, рожденная сравнением. Мы вынуждены признать, что наш взгляд на реальность лишь один из многих, – фактически, из бесконечного числа, – которые все сводятся воедино в рамках монолитного целого пространства-времени.