Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили
Вот это я и имею в виду, когда говорю о том, что физические объекты ведут себя по-разному в зависимости от заданного масштаба, рассматриваемого интервала времени и энергии. Физика имеет две чудесные особенности – универсальность многих ее теорий и то, что, более глубоко изучая и анализируя систему, мы лучше понимаем, как ее части соотносятся с целым. Однако верно и то, что нам часто приходится делать выбор в пользу теории, более подходящей для конкретного масштаба. Если вам нужно починить стиральную машину, то вам совсем не обязательно знать все сложности Стандартной модели физики частиц – пусть даже стиральная машина, как все остальное в мире, в конечном счете состоит из кварков и электронов. Если бы мы попытались применить фундаментальные теории физики о квантовой природе мира к нашей будничной жизни, мы бы далеко не ушли.
Теперь, когда мы узнали о возможностях и границах того, в чем нам полезна физика, – от потенциала математической симметрии, лежащей в основе физических законов, от масштаба, в котором эти законы можно применять, до ограничений, налагаемых редукционизмом и универсальностью, – мы готовы наконец взяться за дело. Я начну следующую главу с первого из трех фундаментальных столпов физики – с теории относительности Эйнштейна.
Глава 3. Пространство и время
В такой небольшой книге у меня нет возможности рассказать обо всех областях физики, пусть даже многие очень интересны. Я решил свести существующее понимание устройства мира с точки зрения физики к трем основным постулатам, к трем картинам мира в разных ракурсах. Первая, которой посвящены следующие две главы, основана на исследованиях Альберта Эйнштейна в начале XX века. Она отражает наше современное понимание того, как в крупнейшем масштабе ведут себя материя и энергия под воздействием силы тяготения, – знаменитая общая теория относительности.
Чтобы написать эйнштейновскую картину мира, нужно начать с холста. Базис, на котором происходят все события, – это пространство и время. Однако эти понятия неоднозначны.
Здравый смысл подсказывает нам, что пространство и время должны существовать изначально: пространство – это где происходят события и осуществляются законы физики, а неумолимый ход времени… что ж, он неумолим. Но верно ли такое понимание пространства и времени? Важный урок, который должен выучить каждый физик, – здравому смыслу не всегда можно доверять. В конце концов, именно он подсказывает нам, что Земля плоская, но даже древние греки понимали, что сами ее размеры мешают воспринимать кривизну поверхности и то, что Земля круглая, можно доказать с помощью простых экспериментов. Жизненный опыт говорит нам, что свет имеет волновые свойства и поэтому не может вести себя так, как если бы он состоял из потока отдельных частиц. Иначе как можно объяснить явление интерференции? И все же с помощью точнейших экспериментов уже безусловно доказано, что, когда дело касается естественного света, наши чувства могут нас обмануть. А если речь о квантовом мире, то, чтобы понять, что на самом деле происходит, приходится отказаться от многих обычных понятий, основанных на простой интуиции.
Привычка не всегда доверять интуиции – ценная способность, которую физики унаследовали от философов. Еще в 1641 году Рене Декарт в своих «Размышлениях о первой философии» утверждал: чтобы узнать о материальном мире нечто истинное, нужно сначала подвергнуть все сомнению, невзирая на то, что подсказывают чувства. Это не значит, что нельзя верить ничему, что нам показывают или говорят; это лишь означает, что, согласно Декарту, те утверждения, которые он считает истинными, «требуют сознания, полностью свободного от предрассудков и способного с легкостью отмежеваться от области чувств»[13].
На самом деле задолго до Декарта, в начале XII века, ученый-математик Ибн аль-Хайсам положил начало философскому течению, известному у арабов как al-Shukuk («Сомнения»). Он был плодовитым автором, комментировал греческую небесную механику и утверждал, что всегда нужно подвергать сомнению полученные в прошлом знания и не принимать на веру то, что не подтверждено доказательствами. То есть физика всегда была эмпирической наукой, полагавшейся на научный метод проверки гипотез и теорий посредством эксперимента.
И все-таки отдельные важнейшие прорывы в физике обусловлены логическими выводами, сделанными на основе «мысленных экспериментов» – когда физик анализирует гипотезу и воображает эксперимент, подтверждающий эти выводы. Такой эксперимент, возможно, и неосуществим на практике, но позволяет понять мир исключительно на основе логики и мыслительного анализа. Некоторые из самых известных мысленных экспериментов были осуществлены Эйнштейном и помогли ему разработать теории относительности. Впоследствии их уже можно было проверить с помощью лабораторных экспериментов.
Осознать смысл пространства и времени сложно, поскольку мы сами живем в их пределах и трудно освободить наше сознание от ограниченности наших представлений и «увидеть» наш мир снаружи. И все же, что поразительно, это возможно. В следующем разделе я кратко расскажу о современном понимании природы пространства и времени, которым мы обязаны Эйнштейну и двум его прекрасным теориям относительности.
Как физики определяют пространство и время
Важный вывод из ньютоновской физики: пространство и время реально существуют вне зависимости от материи и энергии, которые существуют внутри них. Однако философы размышляли об этом задолго до Ньютона. Например, Аристотель считал, что пустое пространство само по себе не существует – где нет материи, там нет и пространства. Гораздо позже Декарт утверждал, что пространство – это не более чем расстояние (или «протяженность») между телами. Согласно этим двум мыслителям пространство внутри пустой коробки существует только благодаря стенкам этой коробки – убери их, и объем внутри уже теряет всякий смысл.
Давайте рассмотрим этот пример поподробнее. А если бы оказалось, что первая коробка заключена в другую, большую по размеру? И можно ли тогда сделать заключение, что это пространство и раньше было «реальным»? А теперь представим, что маленькая пустая коробка – и
