На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Гефтер Аманда

– Она как цвет галактики, – подхватил отец. – Цвет галактики – вовсе не ее собственное свойство, он зависит от того, как галактика движется относительно наблюдателя. Из-за их относительного движения частота световой волны изменяется, а от частоты зависит, какого цвета мы ее видим. Если цвет галактики смещен в красную сторону спектра, то мы знаем, что она удаляется от нас. Если в голубую, – она движется к нам. Это эффект Доплера. Он зависит от наблюдателя.

Я кивнула.

– Если мы хотим отыскать конечную реальность, мы должны устранить все свойства Вселенной, зависящие от выбора системы отсчета, пока не останутся только те, которые действительно инвариантны.

Мама поставила на стол салатник с тарелками и вилками.

Кэссиди заскулила. Я посмотрела вниз. Она посмотрела на меня, высунула язык и подала лапу.

– Ты уверена? – спросила я ее. – Салат?

Я подбросила листик салата в воздух; ее челюсти схлопнулись, листик исчез.

Мама наградила меня неодобрительным взглядом.

Вечером я достала из чемодана несколько книг и статей и направилась в сторону нашей физической библиотеки. В коридоре мама сидела на полу рядом с собакой и шептала: «Да, я люблю тебя. Да».

– Все еще ненавидишь собак? – спросила я.

– Да, – проворковала она, и Кэссиди лизнула ее в нос.

В библиотеке отец сидел, развалившись в своем кожаном кресле, и листал книгу. Я устроилась поудобнее на кушетке.

– Посмотри эту статью, – сказала я. Она была написана Максом Борном, одним из основоположников квантовой механики, опубликована в Philosophical Quarterly в 1953 году и озаглавлена «Физическая реальность». Я прочитала вслух первые строки:

– «За последние сто лет понятие реальности в физическом мире стало довольно проблематичным».

Мой отец рассмеялся:

– Вот как?

Я продолжала читать вслух, отец внимательно слушал:

«Вырежьте из куска картона фигуру, – писал Борн, – скажем круг, и наблюдайте тени, которые он отбрасывает от удаленной лампы на плоскую стену. Тени от круга в общем случае окажутся эллипсами; вращая вашу картонную фигуру, вы можете получить любое значение длины оси эллиптических теней между близкими к нулю и максимумом. Это точная аналогия с поведением длины в теории относительности: в различных состояниях движения она может иметь любое значение между нулем и максимумом… Очевидно, что одновременного рассмотрения теней на многих различных плоскостях достаточно для того, чтобы доказать тот факт, что первоначальная картонная фигура является кругом, и однозначно определить ее радиус. Этот радиус есть то, что математики называют инвариантом преобразований, вызываемых параллельными проекциями»[22].

– На том же принципе основана томография, – нахмурился отец.

Мама, очарованная Кэссиди.

Фото: У. Гефтер.

Я продолжала читать:

«Проекция (тень в нашем примере) определяется относительно системы отсчета (стен, на которые может отбрасываться тень). В общем случае существует много эквивалентных систем отсчета. <…> Инварианты суть величины, которые имеют одно и то же значение для любой системы отсчета и потому независимы от преобразований».

– То есть не зависят от наблюдателя.

– Точно. И вот зацепка, – сказала я, продолжая. – «И вот главный прогресс в структуре понятий в физике состоит в открытии того, что определенная величина, которая рассматривалась как свойство предмета, в действительности есть только свойство проекции».

– Это очень интересный момент, – сказал мой отец. – Прогресс в физике связан с осознанием того, что нечто, считавшееся когда-то инвариантным, на самом деле зависит от системы наблюдения. Как тень.

– Угу. Борн продолжает: «Я убежден, что идея инвариантов является ключом к рациональному понятию реальности». Затем он рассказывает о квантовой механике, аргументируя, что измерение – это проекции на какую-либо систему отсчета, с которой связана измерительная аппаратура. И он заканчивает словами: «Таким образом, инварианты суть понятия, о которых естествознание говорит так же, как на обыкновенном языке говорят о „вещах“… Что здесь приближает к реальности, так это всегда своего рода инвариантный характер структуры, независимый от аспекта, от проекций».

– Реальное – это то, что инвариантно.

Я кивнула:

– Реальное – это то, что инвариантно. Звучит слишком очевидно, но это невероятно глубокое умозаключение, как оно ни банально.

– Я начинаю понимать, – сказал отец, перелистывая страницы сборника научных трудов Эйнштейна. – В целом эта же идея лежит в основе теории относительности. Вот послушай. Эйнштейн размышлял об электричестве и магнетизме. При перемещении магнита возникает электрическое поле, и при перемещении электрона возникает магнитное поле. Но как можно различить, что на самом деле движется? Движение относительно – вы покоитесь относительно электрона или относительно магнита? Он писал: «Мысль, что это две принципиально различные ситуации, была невыносима для меня. Я был убежден, что разница между ними не могла быть существенной, а возникала только из-за разницы в системе координат. В системе [движущегося] магнита не было никакого электрического поля. В системе эфира электрическое поле, конечно, присутствует. Таким образом, существование электрического поля было относительно, в зависимости от состояния движения используемой системы координат, и только электрические и магнитные поля вместе можно было бы отнести к разновидности объективной реальности, которая не зависит от состояния движения наблюдателя или системы координат. Это явление магнитоэлектрической индукции помогло мне сформулировать (специальный) принцип относительности»[23].

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.