Расширенное настоящее

Теории Ньютона и Максвелла противоречат друг другу в одном тонком моменте. Из уравнений Максвелла выводится величина скорости – скорости света. Однако ньютоновская механика несовместима с существованием фундаментальной скорости, поскольку в уравнения Ньютона входит ускорение, а не скорость. В ньютоновской физике скорость может быть только скоростью чего-то относительно чего-то другого. Галилей подчеркивал тот факт, что Земля движется относительно Солнца, даже если мы не воспринимаем это движение, поскольку то, что мы обычно называем скоростью, – это скорость относительно Земли. Именно это мы имеем в виду, говоря, что скорость – это относительная величина, то есть скорость объекта самого по себе не имеет смысла, единственная скорость, которая существует, – это скорость одного объекта относительно другого. Это то, что изучали студенты-физики в XIX веке, и то, что они изучают сегодня. Но если это так, то относительно чего определена скорость света, выводимая из уравнений Максвелла?

Одна из возможностей разрешения этого спорного вопроса состоит в том, что существует некая универсальная среда, по отношению к которой свет и движется со своей скоростью. Однако положения теории Максвелла выглядят независимыми от этой среды. Все экспериментальные попытки измерить скорость Земли по отношению к этой гипотетической среде, предпринимавшиеся в конце XIX века, закончились неудачей.

Эйнштейн утверждал, что на верный путь его навели не эксперименты, а только видимые противоречия между уравнениями Максвелла и механикой Ньютона. Он задался вопросом: можно ли каким-то образом совместить ключевые открытия Ньютона и Галилея с теорией Максвелла?

Занимаясь этим, Эйнштейн пришел к удивительному открытию. Чтобы понять его, подумайте обо всех прошлых, настоящих и будущих событиях (по отношению к тому моменту, когда вы читаете этот текст) и представьте их изображенными как на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Пространство и время до Эйнштейна

Итак, открытие Эйнштейна заключается в том, что эта схема некорректна. В действительности все устроено примерно так, как показано на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Структура пространства-времени. Для каждого наблюдателя «расширенное настоящее» – это промежуточная зона между прошлым и будущим

Между прошлым и будущим для некоторого события (например, между прошлым и будущим для вас, там, где вы в данный конкретный момент находитесь) существует «промежуточная зона», или «расширенное настоящее», зона, которая не является ни прошлым, ни будущим. Это открытие сделано в рамках в специальной теории относительности.

Длительность этой промежуточной зоны[50], которая не находится ни в вашем прошлом, ни в вашем будущем, очень мала и зависит от того, где относительно вас происходит событие (см. рис. 3.2): чем больше расстояние от вас до события, тем больше длительность расширенного настоящего. На расстоянии нескольких метров от вашего носа, дорогой читатель, продолжительность того, что является для вас промежуточной зоной (ни прошлым, ни будущим), не превышает нескольких наносекунд – это почти ничто (в одной секунде столько же наносекунд, сколько секунд в 30 годах). Это намного меньше, чем вы способны заметить. На другой стороне океана длительность этой промежуточной зоны составляет тысячную долю секунды, что всё еще ниже порога нашего восприятия времени: минимальный отрезок времени, который мы способны ощутить, – порядка сотой доли секунды. Однако на Луне продолжительность расширенного настоящего составляет уже секунды, а на Марсе – около четверти часа. Таким образом, можно сказать, что на Марсе есть события, которые в данный конкретный момент уже случились, события, которым еще предстоит случиться, но есть также четверть часа, в течение которых происходят события, которые не принадлежат ни нашему прошлому, ни нашему будущему.

Они находятся где-то еще. Никогда прежде мы не догадывались о существовании этого «где-то еще», поскольку вблизи нас это «где-то еще» слишком скоротечно; мы недостаточно проворны, чтобы его заметить. Но оно существует, и оно реально.

Именно поэтому нельзя поддерживать непринужденную беседу между Землей и Марсом. Допустим, я нахожусь на Марсе, а вы здесь. Я задаю вам вопрос, а вы отвечаете сразу, как только услышите, что я сказал; ваш ответ приходит ко мне спустя четверть часа после того, как я задал вопрос. Эта четверть часа – время, которое не является ни прошлым, ни будущим по отношению к тому моменту, когда вы мне ответили. Принципиальный факт, касающийся устройства мира, понятый Эйнштейном, состоит в том, что эта четверть часа неустранима: нет способа ее сократить. Она вплетена в ткань событий пространства и времени: мы не можем укоротить ее точно так же, как не можем послать письмо в прошлое.

Это странно, но наш мир устроен именно так. Это так же странно, как тот факт, что в Сиднее люди живут «вверх ногами»: странно, но правда. Мы привыкли к этому факту, который теперь кажется нормальным и разумным. Это структура пространства и времени, и она именно такова.

Рис. 3.3. Относительность одновременности

Из сказанного следует, что бессмысленно говорить о событии на Марсе, что оно происходит «прямо сейчас», просто потому, что никакого «прямо сейчас» не существует (рис. 3.3.)[51].

Если выражаться более строго, то Эйнштейн понял, что не существует «абсолютной одновременности»: во Вселенной нет такого множества событий, которые происходят «сейчас». Совокупность всех событий во Вселенной нельзя описать как последовательность моментальных «сейчас» – настоящих, следующих одно за другим; она имеет более сложную структуру, показанную на рис. 3.2. Мы видим там то, что в физике называют пространством-временем – это набор всех прошлых и будущих событий, но также и тех, которые «ни в прошлом, ни в будущем»; последние не образуют единого мгновения: у них самих есть длительность.

Для галактики Андромеды длительность этого расширенного настоящего по отношению к нам составляет два миллиона лет. Все, что происходит в течение этих двух миллионов лет, не является ни прошлым, ни будущим по отношению к нам. Если бы дружественная высокоразвитая цивилизация в Андромеде решила отправить к нам с визитом эскадру звездолетов, то не было бы смысла спрашивать, эскадра «сейчас» уже вылетела или еще нет. Единственный осмысленный вопрос: когда мы получим первый сигнал от этой эскадры? Начиная с этого момента, но не ранее, отправление эскадры оказывается в нашем прошлом.

Открытие такой структуры пространства-времени, сделанное молодым Эйнштейном в 1905 году, имело серьезные последствия. Тот факт, что пространство и время тесно связаны между собой, как показано на рис. 3.2, потребовал тонкой реструктуризации ньютоновской механики, которую Эйнштейн быстро осуществил в 1905 и 1906 годах. Первый результат этой реструктуризации состоит в том, что пространство и время сплавляются в единую концепцию пространства-времени, а электрическое и магнитное поля аналогичным образом сплавляются в единую сущность, которую сегодня мы называем электромагнитным полем. Сложные уравнения, записанные Максвеллом для двух полей, значительно упрощаются, когда переформулируются на этом новом языке.

Есть еще один вывод этой теории, который влечет за собой очень серьезные последствия. В новой механике концепции энергии и массы объединяются и сплавляются воедино, подобно тому как объединились время и пространство, электрическое и магнитное поля. До 1905 года незыблемыми считались два общих принципа – сохранения массы и сохранения энергии. Первый из них был всесторонне проверен химиками: масса никогда не меняется в химических реакциях. Второй – сохранение энергии – непосредственно вытекал из уравнений Ньютона и рассматривался как один из самых бесспорных законов. Однако Эйнштейн понимает, что энергия и масса – это две грани одной сущности, подобно тому как электрическое и магнитное поля – это две стороны одного и того же поля, а пространство и время – две грани одной сущности, пространства-времени. Это означает, что масса сама по себе не сохраняется и энергия – как ее воспринимали в то время – тоже не является независимо сохраняющейся величиной. Они могут превращаться друг в друга: существует только один закон сохранения, а не два. Сохраняется сумма массы и энергии, но не каждая из них по отдельности. Должны существовать процессы, которые преобразуют энергию в массу, а массу – в энергию.

Несложный расчет показал Эйнштейну, как много энергии получается при преобразовании одного грамма массы. Результат выражается знаменитой формулой E = mc². Поскольку скорость света c – это очень большая величина, а c² – еще большая, энергия, получаемая из одного грамма массы, колоссальна. Это энергия миллионов одномоментно взорвавшихся бомб: ее достаточно, чтобы месяцами освещать город и питать промышленность страны или, напротив, чтобы в одну секунду уничтожить сотни тысяч человеческих жизней в таком городе, как Хиросима.

Теоретические рассуждения молодого Эйнштейна перенесли человечество в новую эру – эру ядерной энергии, новых возможностей и новых опасностей. Сегодня благодаря интеллекту этого молодого бунтаря, не выносившего жестких правил, мы получили средства, способные обеспечить светом жилища 10 миллиардов людей, которые вскоре будут населять нашу планету, средства для космических путешествий к другим звездам, а также средства, позволяющие уничтожить друг друга и разрушить планету. Все зависит от нашего выбора: каких лидеров мы призовем принимать для нас решения.

Сегодня структура пространства-времени, предложенная Эйнштейном, хорошо понята и многократно проверена в лабораториях, она считается надежно установленной. Время и пространство – не такие, какими они представлялись со времен Ньютона. Пространство не существует независимо от времени. В расширенном пространстве (рис. 3.2) нет какого-то выделенного среза, который с бо?льшим основанием, чем другие, можно было бы назвать «пространство сейчас». Наше интуитивное представление о настоящем как о единстве всех событий, происходящих «сейчас» во Вселенной, – это результат нашей слепоты, нашей неспособности воспринимать малые временные интервалы. Это необоснованная экстраполяция нашего ограниченного опыта.

Представление о настоящем, подобно представлению о плоской Земле, является иллюзией. Мы представляли себе Землю плоской в силу ограниченности наших чувств, поскольку мы не могли видеть намного дальше своего носа. Если бы мы жили на астероиде диаметром несколько километров, как планета Маленького Принца, мы легко представили бы себе, что находимся на сфере. Если бы наш мозг и наши органы чувств давали нам более точное восприятие и мы легко воспринимали бы наносекундные отрезки времени, нам никогда бы не пришло в голову, что «настоящее» простирается повсюду. Мы бы свободно воспринимали существование промежуточной зоны между прошлым и будущим. Мы бы хорошо понимали, что слова «здесь и сейчас» имеют смысл, но слово «сейчас», обозначающее события, «происходящие в данный момент» по всей Вселенной, не имеет смысла. Оно подобно вопросу о том, находится наша Галактика «выше или ниже» галактики в Андромеде, не имеет смысла, поскольку понятия «выше» и «ниже» наделены смыслом только на поверхности Земли, а не в космосе. Во Вселенной нет «верха» и «низа». И аналогичным образом два события в ней далеко не всегда связаны отношениями «до» или «после». Получившуюся в результате структуру из сплетенных между собой пространства и времени, как это изображено на рис. 3.2 и 3.3, физики называют пространством-временем (рис. 3.4).

Когда журнал Annalen der Physik опубликовал статью Эйнштейна, внезапно прояснившую все эти вопросы, это произвело грандиозное впечатление на физическое сообщество. Явные противоречия между уравнениями Максвелла и ньютоновской физикой были хорошо известны, но никто не знал, как их разрешить. Эйнштейновское решение, поразительное и чрезвычайно элегантное, стало для всех неожиданностью. Рассказывают, как в тускло освещенных старых залах Краковского университета строгий профессор физики, оторвавшись от своих занятий, потрясал эйнштейновской статьей и кричал: «Родился новый Архимед!»

Рис. 3.4. Из чего состоит мир?

Но, несмотря на бурную реакцию, спровоцированную прорывом, который совершил Эйнштейн в 1905 году, мы еще не добрались до его подлинного шедевра. Триумфом Эйнштейна стала его вторая теория относительности – общая теория относительности, опубликованная десятью годами позднее, когда ему было тридцать пять.

Теория «общей относительности» – это самая красивая теория, порожденная физикой, и первый столп квантовой гравитации. Она является стержневой темой для всей этой книги. Именно здесь начинается подлинная магия физики XX века.