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

Только потому, что тела разного веса падают с одинаковой скоростью, работает принцип эквивалентности Эйнштейна: вы никогда не можете отличить ускорение от гравитации. Если бы вы могли это сделать, то «пространство» бы что-то значило. Оно было бы реальным. Но это не так.

– Специальная теория относительности доказывает, что пространство и время не реальны – они зависят от наблюдателя, – сказала я отцу. – А общая теория относительности доказывает, что сила тяжести не реальна, так как она исчезает в определенных системах отсчета. Но здесь мы подходим к самой безумной мысли – дело не ограничивается Эйнштейном. Это относится ко всем силам. Ни одно из так называемых «фундаментальных» взаимодействий не реально!

Кроме гравитации есть еще три фундаментальных взаимодействия. Электромагнетизм – наиболее знакомый из них, поскольку мы постоянно встречаемся с ним в повседневной жизни. Еще два проявляются на субатомных масштабах и поэтому нам менее известны. Сильное ядерное взаимодействие связывает кварки в протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, составляют ядро любого атома. Слабое ядерное взаимодействие превращает протоны в нейтроны, и наоборот, изменяя аромат содержащихся в них кварков, отвечает за радиоактивный распад – это из-за него Солнце светит.

Несмотря на все разговоры о гравитации как о «выбывшей из игры» в квантовую механику, все остальные взаимодействия, по существу, играют ничуть не лучше, в особенности если принять во внимание, насколько по-разному они проявляются в разных системах отсчета.

Когда речь заходит о силах в квантовой механике, приходится забыть и о пространстве, и о времени и говорить только о квантовых волновых функциях. А у волновой функции, как и у всякой волны, есть фаза, и в этом все дело.

– Допустим, имеется какая-то материальная частица, например электрон, – сказала я. – Она описывается волновой функцией, а у волновой функции есть фаза. Но фаза – это не какая-то физическая вещь. Она просто показывает, к какой стадии колебательного цикла привело волновое движение некое участвущее в нем материально тело в данной точке пространства: приближается ли колеблющаяся величина к своему максимальному значению или, напротив, находится на спаде и уже скоро достигнет минимума – в отношении какого-то из измерительных приборов. Кого-то из наблюдателей. Если ты смотришь на проходящие мимо тебя волны и делаешь шаг влево, то фаза волны по отношению к тебе меняется. Поэтому очевидно, что фаза не может быть внутренним свойством волны, ее значение зависит от системы отсчета наблюдателя. Конечно, значение имеет только разница фаз – именно она, например, определяет вид интерференционной картины в опыте с двойной щелью. Фаза сама по себе не имеет определенного смысла.

– Фаза определяет систему отсчета, – сказал отец.

– Точно! Представь себе, что волновая функция электрона заполняет собой все пространство. Конечно, ее амплитуда, вероятно, достигает максимума только в какой-то ограниченной области, но, формально говоря, она простирается бесконечно. В силу принципа неопределенности она нигде не может в точности равняться нулю. Ты следишь за этим электроном и вдруг делаешь два шага влево. Волновая функция меняет фазу. Но фаза не меняется сразу во всем пространстве, потому что это действие ограничивается только твоим световым конусом. Изменение фазы всей волновой функции сразу во всей Вселенной потребует сверхсветовой скорости. Если бы это было возможно, то оно было бы эквивалентно чему-то вроде преобразования Лоренца. Но это невозможно. В твоих силах изменить волновую функцию только в ограниченной части пространства. Так что теперь у тебя имеются две части волновой функции: у одной фаза сдвинута, а у второй – нет. Они не соответствуют друг другу, как кривая и прямая линии. Поэтому нужно ввести силу, которая компенсирует это несоответствие. Тебе нужно найти преобразование, позволяющее плавно совместить эти две части – диффеоморфное преобразование.

– То есть необходим эквивалент гравитации.

– Точно. И в случае электронов эквивалентом гравитации выступает электромагнетизм.

Электромагнетизм проявляется как калибровочная сила[24]. Калибровка – это просто другое слово, означающее фазу. Это – точка зрения, система отсчета. Аналогично принципу общей ковариантности Эйнштейна, принцип калибровочной инвариантности требует, чтобы при любой калибровке силы были одинаковыми; не существует выделенной системы отсчета, которая была бы более истинна, чем остальные. Но локальное изменение калибровки – смещение системы отсчета – приводит к фазовому несоответствию частей волновой функции. Для того чтобы скомпенсировать этот фазовый сдвиг и сохранить все системы отсчета равноправными, вам необходима калибровочная сила.

Во многих книгах и статьях, которые я прочла, утверждалось, что силы воздействуют на частицы путем изменения фазы их волновой функции, но на самом деле все происходит наоборот: переход к другой системе отсчета создает сдвиг по фазе, который вызывает силу. Иными словами, не совпадающие между собой системы отсчета и являются силой. В случае электрона сила, возникшая из несоответствия фаз, – это электромагнетизм, а элементарное возбуждение электромагнитного поля – это фотон.

Электромагнитная сила гарантирует, что мы не перепутаем два разных описания одного электрона с двумя разными электронами, как и гравитация гарантирует, что мы не перепутаем два разных представления пространства-времени одной и той же Вселенной с двумя разными вселенными. Сильные и слабые ядерные взаимодействия – также калибровочно инвариантны. Они возникают исключительно для того, чтобы скомпенсировать сдвиг фаз волновой функции кварков, возникающий при переходе из одной системы отсчета в другую. И сходство калибровочных преобразований с диффеоморфизмом общей теории относительности не случайно: гравитация – это тоже калибровочная сила.

Я узнала о ядерных взаимодействиях давно, еще когда писала свою статью о кварк-глюонной плазме, но тогда я не оценила всей глубины теории калибровочных полей, пока меня не осенила мысль о связи между инвариантностью и реальностью. Дело в том, что калибровочные силы не являются инвариантными. Как и в случае с падающим кровельщиком, вы можете найти такую систему отсчета, в которой они исчезают. Более того, в одной-единственной системе отсчета они даже не существуют. Они появляются только тогда, когда вы сравниваете одну систему отсчета с другой. Они зависят от наблюдателя. Они не реальны.

– Они фиктивны, – взволнованно сказал отец.

– Правильно! Они не настоящие.

– Да нет, они именно фиктивные, – сказал он, наклоняясь вперед в своем кресле.

– Это что такое?

– Представь себе: ты стоишь на светофоре. Включается зеленый свет, и ты давишь на газ. Машина начинает двигаться, и ты чувствуешь силу, которая вдавливает тебя в кресло. Физики называют такие силы инерционными или фиктивными, – как центробежную силу, которая прижимает тебя к двери на крутом вираже. Эти силы не настоящие – они возникают в результате ускорения системы отсчета, о котором ты, может, и не знаешь. Но вернемся к светофору, к тому моменту, когда ты нажимаешь на газ. Давай посмотрим на это с точки зрения парня, стоящего на тротуаре: он находится в инерциальной системе отсчета, верно? Он видит, как автомобиль рванул вперед, а ты навалилась на спинку своего автомобильного кресла. Но, с его точки зрения, тут все просто объясняется: автомобиль разгоняется и вместе с собой разгоняет и тебя. Он совершенно не понимает, что тебя кто-то будто бы вдавливает в автомобильное кресло. Вместо этого спинка кресла давит на твою спину сзади. Но, находясь внутри автомобиля, ты не можешь установить, разгоняется ли автомобиль в самом деле.