Брайан Кокс - Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать
Открытие, что течение времени может замедляться, а расстояние – сжиматься, выглядит достаточно странным даже по отношению к субатомным частицам, но рассуждения Эйнштейна применимы в равной мере и к объектам размером с человека. Однажды нам даже, быть может, придется положиться на это необычное явление ради выживания. Представьте себе жизнь на Земле в далеком будущем. Через несколько миллиардов лет Солнце уже не только не будет стабильным источником света, поддерживающим жизнь на нашей планете, но и превратится в непредсказуемого клокочущего монстра, который может поглотить Землю в своей агонии. Если человечество не погибнет гораздо раньше по иной причине, ему придется покинуть дом предков и искать счастья среди звезд. Млечный Путь, наш местный спиральный остров в космосе, состоит из сотни миллиардов звезд и имеет 100 тысяч световых лет в диаметре. Это означает, что свету требуется 100 тысяч лет, чтобы пересечь галактику, – с точки зрения наблюдателя на Земле. Хотелось бы надеяться, что необходимость в этом уточнении понятна, учитывая всего вышесказанное. Может показаться, что возможное распространение человечества в пределах Млечного Пути всегда будет ограничено лишь крошечной частью звезд, расположенных неподалеку (по астрономическим масштабам) от нашего дома, так как вряд ли можно ожидать путешествия в удаленные уголки галактики, куда сам свет добирается только за 100 тысяч лет. Но нас спасет Эйнштейн. Если бы мы могли построить космический корабль, который бы развивал скорость, близкую к скорости света, то расстояние до звезд сократилось бы, причем тем сильнее, чем ближе скорость корабля будет к скорости света. Если мы достигнем скорости в 99,99999999 % от скорости света, то сможем пролететь весь Млечный Путь и даже путь до ближайшей галактики (Туманности Андромеды, находящейся почти в 3 миллионах световых лет от нас) за каких-то 50 лет. Правда, это очень сложная задача, особенно с точки зрения мощности двигателей корабля, необходимой для такого разгона, но главное в том, что искривление пространства и времени позволяет путешествовать в отдаленные части Вселенной за реально воспринимаемое время. Если бы вы входили в состав первой экспедиции к Туманности Андромеды, до которой добрались бы за 50 лет, то ваши дети, рожденные в космосе, могли бы захотеть вернуться в мир своих родителей, чтобы взглянуть на Землю собственными глазами (хотя для них наша голубая планета была бы не более чем красивой сказкой). Если бы вы развернули корабль и вернулись за 50 лет на околоземную орбиту, вся продолжительность экспедиции составила бы 100 лет. Но за это время для обитателей Земли прошло бы шокирующих 6 миллионов лет. Разве пережила бы это время цивилизация-прародительница? Эйнштейн открыл нам глаза на очень странный и удивительный мир.
4. Пространство-время
В предыдущих главах мы проследили исторический пути к теории относительности, и наша аргументация, по сути, была не слишком далека от первоначальных представлений Эйнштейна. Нам пришлось признать, что пространство – это не огромная сцена, на которой разыгрываются события нашей жизни. Точно так же как время не является чем-то универсальным и абсолютным. Вместо этого мы приблизились к гораздо более гибкой и субъективной картине пространства и времени. Большие часы на небе (и в каком-то смысле само небо) отправлены в изгнание. Нам может казаться, что мир – это ящик, в котором мы занимаемся своими делами, поскольку такая картина позволяет быстро и эффективно ее осмыслить. Возможность сопоставить движение объектов с воображаемой координатной сеткой представляет собой то, что можно было бы назвать чувством пространства, которое крайне необходимо для того, чтобы убежать от хищника, найти еду и выжить в опасном и сложном мире. Однако нет никаких причин, по которым эта модель, глубоко внедренная в наш мозг и подкрепленная миллионами лет естественного отбора, должна быть чем-то большим, чем просто моделью. Если некое представление о мире обеспечивает выживание, то оно обязательно станет повсеместным. Научная корректность при этом значения не имеет. Важно следующее: поскольку мы решили принять результаты экспериментов Фарадея и разъяснения Максвелла, то действовали, как подобает ученым, и отклонили удобную модель пространства и времени, которая позволила нашим далеким предкам выживать и процветать на древних равнинах Африки. Эта модель настолько глубоко внедрена в нашу психику и подкреплена миллионами лет опыта, что ее отбрасывание вполне может оказать дезориентирующее воздействие. Такое головокружительное чувство замешательства, за которым (хотелось бы надеяться) приходит прозрение и ясность, – самый притягательный момент науки. Если читатель уже чувствует первое, то к концу книги надеемся обеспечить и второе.
Это не книга по истории. Наша цель – составить как можно более понятное описание пространства и времени, а на наш взгляд, исторический путь, по которому ученые шли к теории относительности, – не лучший способ понять ее суть. Спустя столетие после открытия Эйнштейна мы знаем, что есть более глубокий и уместный способ рассуждений о пространстве и времени. Вместо того чтобы погружаться в устаревшие учебники, начнем с чистого листа. Так мы придем к пониманию того, что имел в виду Минковский[16], когда говорил, что «пространство и время необходимо объединить в одну сущность». Сформировав более элегантную картину, мы достигнем главной цели – выведем формулу E = mc².
Вот наша отправная точка. Теория Эйнштейна может быть почти полностью построена на языке геометрии. Нам не нужно большое количество алгебраических формул – достаточно геометрических рисунков и концепций. В основе этого подхода лежат всего три концепции: инвариантность, причинность и расстояние. Если вы не физик, то два из этих понятий вам, скорее всего, незнакомы, а третье, возможно, известно, но, как мы вскоре увидим, здесь есть свои тонкости.
Инвариантность – это концепция, лежащая в основе современной физики. Оторвитесь от книги и посмотрите на окружающий мир. Теперь обернитесь в противоположном направлении. Ваша комната, конечно же, будет выглядеть из разных точек по-разному, но законы природы одинаковы во всех ее углах. Неважно, у северной, восточной, южной или западной стены вы находитесь – сила тяжести везде окажется одинаковой. Ваш телевизор будет продолжать работать, даже если вы повернете его экраном к стене. Ваш автомобиль будет одинаково ездить по улицам Лос-Анджелеса, Берлина и Москвы. Это все примеры инвариантности в природе. При таком толковании инвариантность кажется совершенно очевидной. Но введение требования инвариантности в научные теории оказалось на удивление плодотворным. Мы только что описали две различные формы инвариантности. Это требование неизменности законов природы при поворотах в разном направлении, которое называется поворотной инвариантностью, и требование неизменности законов природы при перемещении с места на место, называемое трансляционной инвариантностью. Эти вроде бы тривиальные требования стали необыкновенно мощным инструментом в руках Амалии Нётер[17], которую Альберт Эйнштейн назвал самой влиятельной женщиной в истории математики. В 1918 году Нётер опубликовала теорему, продемонстрировавшую глубокую связь между инвариантностью и законами сохранения некоторых физических величин. О законах сохранения мы еще поговорим, а пока просто упомянем о глубине полученных Нётер результатов. То, что при наблюдениях в разных направлениях законы природы остаются неизменными, подтверждает существование некой постоянной физической величины, называемой моментом импульса. (Для трансляционной инвариантности – импульс.) Почему это важно? Давайте вытащим интересный факт из нашей метафорической шляпы и объясним его.
Луна за год удаляется от Земли на четыре сантиметра. Почему? Представьте себе, что Луна находится над поверхностью вращающейся Земли в состоянии покоя. Вода в океанах непосредственно под Луной будет чуть-чуть выгибаться в сторону Луны, потому что гравитация Луны ее притягивает, а Земля под этой дугой будет вращаться со скоростью один оборот в сутки. Это и есть причина океанских приливов и отливов. Наличие трения между водой и поверхностью Земли вызывает замедление скорости ее вращения. Этот эффект невелик, но поддается измерению. Продолжительность суток на Земле постепенно увеличивается, примерно на 0,002 доли секунды за столетие. Физики описывают вращение с помощью момента импульса, поэтому можно сказать, что момент импульса Земли со временем уменьшается. Нётер утверждала, что, поскольку мир выглядит одинаково в каждом направлении (точнее говоря, законы природы инвариантны по отношению к повороту), момент импульса сохраняется, то есть общее количество вращения не должно меняться. Но что же происходит, когда момент импульса Земли уменьшается из-за приливного трения? Ответ прост: он передается Луне, которая ускоряется на своей орбите вокруг Земли, чтобы компенсировать замедление вращения Земли. А это, в свою очередь, приводит к удалению Луны от Земли. Другими словами, чтобы обеспечить сохранение общего момента импульса системы Земли и Луны, Луна вынуждена переходить на более высокую орбиту вокруг Земли, компенсируя замедление вращения последней. Это совершенно реальный и одновременно довольно фантастический факт. Луна велика и удаляется от Земли все дальше – и только потому, что законы природы одинаковы во всех направлениях. Итальянского писателя Итало Кальвино так поразил этот факт, что он написал небольшой рассказ под названием The Distance of the Moon («Отдаление Луны»)[18], в котором представил себе далекое прошлое, когда Луна располагалась настолько близко к Земле, что наши предки забирались на нее по лестнице. Но когда с годами Луна удалилась от Земли, с наступлением ночи любителям Луны приходилось делать выбор: оставаться на Луне или возвращаться на Землю. Это удивительное (а в изложении Кальвино – удивительно романтичное) явление можно объяснить с помощью абстрактной концепции инвариантности и глубокой связи между инвариантностью и законами сохранения физических величин.
