Страница 10 из 29
Насколько безумно это звучит, не сразу заметишь. Скорость определяется пространством, которое что-либо пересекает за определенное время. Чтобы свет всегда двигался с одной и той же скоростью независимо от того, как быстро перемещается наблюдатель, пространство и время по отдельности должны изменяться от наблюдателя к наблюдателю. Общее расстояние в пространстве и времени в сочетании остается же для каждого наблюдателя постоянным – объединенное четырехмерное пространство-время, которое наблюдатели бороздят в различных направлениях, выбирая, какие координаты назвать пространством, а какие – временем, в соответствии с их индивидуальными точками зрения.
Эйнштейн знал, что должен существовать какой-то способ преобразования от одной точки зрения к другой, некоторое предписание, которое дает возможность представить, как одно и то же пространство-время выглядит для разных наблюдателей, поскольку, предположительно, есть только одна Вселенная. Когда он нашел такое предписание, он назвал его специальной теорией относительности. Специальной – потому что она работает только при условии равномерного и прямолинейного движения наблюдателей относительно друг друга. Эта теория ничего не говорила о неравномерно перемещающихся наблюдателях или наблюдателях, двигающихся с ускорением. Из нее следует, что тот парень, который едет по Бедфорд-авеню с постоянной скоростью, окажется совсем в другой вселенной, чем тот парень, который разгоняет свой автомобиль рядом с ним, хотя оба находятся в Бруклине.
Для Эйнштейна это было почти трагедией. Он свято верил, что истинная природа Вселенной не зависит от произвольного выбора координат, что реальность едина, объединяя все наши частные точки зрения, что существует способ увидеть мир таким, каков он в действительности есть, сам по себе, независимо от того, кто на него смотрит и как при этом движется. Он отчаянно пытался слой за слоем снять с мира кожуру ложных представлений и добраться до истины, которая находится под ней. Для этого было необходимо найти способ, с помощью которого можно перейти от того, что видит инерциальный наблюдатель, к тому, что видит наблюдатель, движущийся с ускорением. Эта задача привела Эйнштейна к созданию его шедевра – общей теории относительности.
Я мысленно вернулась в ту ночь, когда общая теория относительности наконец обрела для меня смысл. Я тогда еще училась в школе. Поздней ночью мы сидели за кухонным столом с отцом. Это был один из тех редких моментов, когда что-то в мозгу щелкает, и все вокруг изменяется навсегда.
До того я читала обычные объяснения. Что постоянством скорости света пространство и время сшиты вместе в четырехмерный пространственно-временной континуум. Что массы или энергии в этом пространстве-времени вызывают деформацию его метрических свойств, определяют ландшафт склонов и долин, который мы называем гравитационным полем. Что то, что предстает перед нами как сила тяжести, в действительности является скрытой геометрией пространства.
Итак, гравитация – это не сила, это искривление пространства-времени. Все это говорят. Но я не вижу, в чем здесь суть. Конечно, «искривление пространства-времени» звучит загадочно и таинственно, как и «гравитационные силы». Это было как замена одного фантома на другой.
– Взгляни на это с другой стороны, – сказал отец, открыв чистый лист бумаги в одном из желтых блокнотов, которые всегда лежали у нас на письменном столе.
– Вот диаграмма Вселенной, – он начертил прямым углом систему координат, где вертикальной осью обозначалось время, а горизонтальной – пространство.
– Вот тут, – он провел рукой по чистому полю внутри нарисованного угла, обрамленного осями координат, – четырехмерный пространственно-временной континуум. Предположим, я двигаюсь сквозь пространство-время с постоянной скоростью. Это – я.
Он провел прямую линию по диагонали:
– А ты двигаешься с какой-то другой, но тоже постоянной скоростью, вот здесь.
Он провел вторую прямую линию немного под другим углом.
– Но мы оба наблюдаем один и тот же мир. Он может выглядеть по-разному для каждого из нас, мы каждый по-своему измеряем расстояния и время, и то, что выглядит пространством для тебя, может выглядеть как время для меня… но, в конечном счете, это же просто один мир, который описывается с двух различных точек зрения, верно? Так, специальная теория относительности дает уравнения, которые позволяют поворачивать мой путь в пространстве-времени, пока он не совпадет с твоим. Это преобразования Лоренца. Ты можешь вращать систему координат до тех пор, пока одна линия идеально не совпадет с другой. Это говорит о том, что мы наблюдаем один и тот же мир.
– Ладно, – сказала я.
Было любопытно посмотреть, к чему он клонит.
Он перевернул лист желтой бумаги и быстро начертил новые оси координат.
– Итак, я снова здесь, – сказал он, проводя прямую под углом. – Но ты на этот раз двигаешься с ускорением. Мировая линия ускоренного движения в координатах пространства-времени изогнута, потому что ты проходишь все бо́льшие расстояния за все меньшее время.
Он нарисовал кривую линию, которая устремилась вверх к правому углу страницы.
– Теперь представь себе, как повернуть кривую, чтобы она совпала с моей прямой линией.
Я на минуту задумалась:
– Это невозможно, – сказала я. – Кривая никогда не сможет совпасть с прямой линией.
– Но это возможно, – возразил он. – Эйнштейн знал, что должна существовать такая возможность, потому что есть только одна Вселенная. Если мы не можем получить из кривой прямую, это означает, что мы с тобой видим совершенно разные миры только потому, что я двигаюсь с постоянной скоростью, а ты с ускорением.
– Эйнштейн открыл, как можно кривую линию преобразовать в прямую?
– Ага. – Отец посмотрел на меня, ухмыляясь. – Сверни лист бумаги.
Вдруг все прояснилось. Это было как озарение. Где-то хор пел «Аллилуйя!» Согнуть бумагу! Если вы свернете лист бумаги так, как нужно, вы можете превратить кривую линию в прямую. Гравитация эквивалентна сворачиванию листа бумаги. Общая теория относительности одновременно чрезвычайно глубока и невероятно проста – классический случай нестандартного мышления.
– Этот Эйнштейн был какой-то дьявольский гений, да? – спросила я.
– Изгиб бумаги, то есть пространства-времени, называется диффеоморфным преобразованием, – сказал отец. – Мы должны уметь искривлять пространство-время, чтобы каждый видел одну и ту же реальность. В нашем четырехмерном пространстве-времени мы видим кривизну как гравитацию.
Общая теория относительности говорит, как склеить обратно реальность, разбитую различными точками зрения. Мы можем находить соответствие между наблюдениями, сделанными в инерциальных и ускоренных системах координат. Для этого нам просто нужна сила тяжести. Инерциальная система отсчета в гравитационном поле эквивалентна ускоренной системе без гравитационного поля. Это означает, что в самом ускорении нет ничего принципиально нового и что все наблюдатели, независимо от состояния их движения, равноправны. Вселенная выглядит по-разному в зависимости от той или иной точки зрения, но в конечном итоге есть только одна окончательная реальность.
Квантовая теория оказалась посложнее. Все книги по физике, которые я прочитала, предупреждали, чтобы я не впадала в уныние, когда мой мозг плавится в попытках понять ее. Если квантовая теория покажется сумасбродной, предупреждали они, не надо волноваться. Она таковой и является. Как бы подкрепляя сказанное, те же книги цитировали некоторых гениальных физиков, которые признавались, что никто не понимает квантовой физики, и если этого было недостаточно, чтобы утешить читателя, они в качестве неоспоримого аргумента приводили некоторые возражения Эйнштейна.
Но мне не очень нравится, когда тебя гладят по головке и говорят: не волнуйся, если ничего не понимаешь. Квантовая теория – это такая мистерия? Или это и в самом деле наука?
После прочтения большого количества так называемых объяснений теории мне стало ясно, что все мои надежды на понимание квантовой механики держались на одном-единственном эксперименте: с прохождением света через двойную щель. Он состоит в следующем.