Книга На лужайке Эйнштейна. Что такое НИЧТО, и где начинается ВСЕ - Аманда Гефтер

Пока мой отец зачитывал мне слова Эйнштейна, я поняла, что главное, за что физики должны были благодарить Эйнштейна, – это доказательство фундаментальной связи между инвариантностью и реальностью.

Поскольку движение относительно, а законы электромагнетизма требуют, чтобы свет распространялся со скоростью 186 000 миль в секунду, пространство и время сами должны изменяться при переходе от одной системы отсчета к другой. То есть пространство и время зависят от системы отсчета наблюдателя. Они не реальны.

Отметая все, что зависело от систем отсчета наблюдателя, Эйнштейн обнаружил, что реальным является единый четырехмерный пространственно-временной континуум. Разные наблюдатели могут по-разному разрезать его, называя одни проекции «пространством», а другие «временем», но это просто разные точки зрения на один и тот же инвариант. Если протяженность вашей мировой линии, скажем, десять единиц, то я могла бы отнести пять из них на счет пространства и другие пять – на счет времени. Но в другой системе отсчета мой отец мог бы назвать семь из них единицами пространства и только три – единицами времени, иными словами, два единицы, которые он видит как пространство, я вижу как время. Световые волны видят все десять единиц единицами пространства, ничего не оставляя на счет времени. Вот почему вы не можете двигаться быстрее, чем свет. Вы не можете выделить на счет времени меньше нуля. Если вы это сделали, то у вас оказалось бы отрицательное число, означающее, что вы научились путешествовать назад во времени.

Дело же все в том, что как ни разрезай пространство-время, оно так и останется пространством-временем. Это инвариант.

Вот почему Герман Минковский сказал: «…Отныне пространство само по себе и время само по себе обречены исчезнуть, превратиться в тень, и только их своеобразный союз сохранит независимую реальность». Пространство и время были как тени на стене; пространство-время было подобно картонной фигуре.

Эйнштейн полагал, что второе было важнее, чем первое: для него не так было важно то, что было относительным, как то, что было инвариантным, поскольку он знал, что то, что инвариантно, то и реально. В связи с этим он выражал сожаление, что назвал свою теорию теорией относительности, вместо того чтобы назвать ее Invariantentheorie: теория инвариантов.

Интересно, что мы никогда не увидим пространства-времени. Как узники в платоновской пещере, мы вынуждены познавать мир через его тени, а Вселенную – разрезанной на части трехмерного пространства и одномерного времени. Но, обнаруживая в уравнениях Эйнштейна инвариант, получивший название интервала и сохраняющийся неизменным при преобразованиях Лоренца, мы можем за обманчивой видимостью разглядеть истинную реальность. Пространство-время – это симметрия, но в нашем восприятии Вселенной эта симметрия нарушена. Мы живем среди ее осколков.

Зависимость от системы отсчета наблюдателя только возросла, когда Эйнштейн проапгрейдил специальную теорию относительности до общей. Рассказывают, что озарение – Эйнштейн назвал его своей «самой счастливой идеей» – пришло, когда он увидел, как рабочий упал с крыши здания, расположенного напротив его патентного офиса. Это звучит, как если бы Эйнштейн был последним подонком. Но это, наверное, не так. В любом случае, ему пришло в голову, что человек, падающий с крыши, находился в свободном падении и испытывал состояние невесомости, как если бы гравитация для него внезапно исчезла. Это была его самая счастливая мысль, поскольку в ней содержалось невероятное прозрение: если гравитация может исчезнуть в одной из систем отсчета, то она не может быть фундаментальным свойством реальности. Она должна была быть иллюзией восприятия.

В восприятии злополучного кровельщика он находился в обычной инерциальной системе отсчета, и в ней отсутствует сила тяжести. И чувства его не обманывали: со своей точки зрения, он действительно находился в невесомости, и если бы он успел сделать некоторые простые научные опыты по пути вниз, их результаты подтвердили бы это. Если бы, например, он вынул свои ключи из кармана и уронил их, они бы не упали к его ногам, как бы это случилось в присутствии силы тяжести, а просто повисли бы рядом с ним, падая с такой же скоростью. Единственное, что в этом случае было необычным, это массивная планета, которая с неожиданным ускорением приближалась к нему.

Инерциальной системе отсчета соответствует прямая линия в пространстве-времени. Но падение человека в восприятии стоящих на земле зрителей, которые показывают на него пальцем и смеются, происходит с ускорением. Для них он ускоряется и его мировая линия описывается кривой линией. Так что это? Прямая или кривая линия?

Эйнштейн знал, что и то и другое верно, поскольку прямая и кривая линии – это лишь разные описания одного и того же движения одного и того же человека. Но как могут быть оба варианта ответов верными одновременно? Как может кривая быть прямой? Чтобы превратить кривую линию в прямую, вы должны согнуть бумагу. Переход от системы отсчета кровельщика к системе отсчета зевак требует диффеоморфного преобразования. Он требует изгиба пространства-времени. Он требует гравитации.

Принцип общей ковариантности Эйнштейна требовал, чтобы для всех наблюдателей выполнялись одни и те же законы физики. Гравитация превращает кривые линии в прямые. «Мы можем воспроизвести гравитационное поле, просто изменив систему координат, – писал Эйнштейн. – Требование общей ковариантности… отнимает у пространства и времени последний остаток физической реальности».

Ньютон верил в реальность абсолютного пространства, потому что без этого ускорение ничего не значит – ускорение относительно чего? Но Эйнштейн в общей теории относительности показал, что то, что выглядит как система отсчета, двигающаяся с ускорением, с другой точки зрения может выглядеть как инерциальная система отсчета, в которой действует сила тяжести. Нет онтологической разницы между ускоренной и инерциальной системами отсчета, что, в свою очередь, означало, что не существует абсолютного пространства. То есть вам не нужно, чтобы пространство было реальным.

Это также объясняло другой любопытный факт, который, вероятно, могла бы с пеной у рта оспаривать девушка из моей группы по философии науки: предположим, два шарика падают одновременно с Пизанской башни, например шар для боулинга и мячик для пинг-понга. Предполагая, что их падение происходит в безвоздушном пространстве, можно ожидать, что они ударятся о землю точно в одно и то же время. Вы бы могли подумать, что более тяжелый их них будет падать быстрее, но это не так. Потому что, если бы более тяжелые предметы падали быстрее, чем более легкие, то вы были бы в состоянии отличить, в какой системе вы находитесь: в ускоренной системе или инерциальной системе отсчета с гравитацией.

Каким образом? Допустим, вы находитесь в кабине лифта без окон и чувствуете, что ваш вес прижимает вас к полу. Вы могли бы задаться вопросом, ускоряется ли лифт по направлению вверх, заставляя пол давить вам на ноги, или лифт находится в состоянии покоя на планете с сильным гравитационным полем. Чтобы ответить на этот вопрос, вы могли бы одновременно уронить что-то очень тяжелое и очень легкое. Если тяжелое упадет на пол первым, мы будем знать, что находимся в сильном гравитационном поле. Если тяжелое и легкое достигнут пола одновременно, мы будем знать, что лифт двигается с ускорением вверх, поскольку поднимающийся пол коснется обоих свободно парящих в пространстве предметов одновременно.