Пространство, время и движение. Величайшие идеи Вселенной - Кэрролл Шон Страница 27

Юмеанство удобно сочетается с этерналистским взглядом, в то время как антиюмеанцы, скорее всего, являются презентистами. Чтобы понять, как связаны их точки зрения, прибегнем к гипотетическим построениям: подумаем о том, каким бы был мир, будь он немного другим. («Я бы не стал есть столько салатов, если бы знал, каким вкусным окажется торт».) Такие построения можно считать рассуждением о других возможных мирах, разумных альтернативных версиях нашей реальности. Мы постоянно так делаем. Не думая о других мирах, мы не могли бы спорить о выборе, ответственности, морали и других понятиях, которые мы любим обсуждать.

Но подождите. Для юмианца все, что существует, — это реальная вселенная, а то, что мы называем «законами природы», — всего лишь полезные обобщения закономерностей, которые мы видим в ней. Они описывают мир, но не управляют им. Поэтому юмеанцы не могут рассматривать гипотетические миры, ибо нельзя представить себе другую вселенную, но с теми же законами физики. Антиюмеанцев это не беспокоит. Для них законы не просто обобщают происходящее, они управляют им, а значит, несложно вообразить картину, где те же самые законы привели к развитию другого мира из иных начальных условий.

В свою очередь антиюмеанцам сложно объяснить смысл их утверждения о том, что законы физики «управляют» тем, что происходит во времени. Знай мы все, что когда-либо происходило во вселенной, нам было бы трудно понять, чего нам не хватает. У юмеанцев часто закрадывается подозрение, что антиюмеанцы все еще оперируют устаревшими крипто-аристотелевскими взглядами, согласно которым у каждой части мира есть своя сущность и природа. Возможно, считать, что вещи происходят просто так, и полагать своей задачей описание этих вещей, — нормально.

Шесть. Пространство-время

Физика Ньютона разрешала нам говорить о времени и пространстве как о едином четырехмерном пространстве-времени, в котором происходят события. Но поступать так было необязательно: пространство и время независимы друг от друга, никто никогда их не путал. Когда же в начале XX века возникла теория относительности, разговор о пространстве-времени стал почти неизбежным. В этой теории пространство и время больше не имеют отдельных объективных значений. В реальности существует именно пространство-время, а его разделение на время и пространство — всего лишь условность, удобная для людей.

Теория относительности считается сложной для понимания главным образом потому, что мы интуитивно привыкли разделять время и пространство, думать о них как о разных вещах. В нашем представлении объекты имеют определенную протяженность в «пространстве», и это кажется вполне объективным фактом. А так как обычно мы перемещаемся намного медленнее, чем свет, законы дорелятивистской физики работают отлично, а значит, таких представлений нам вполне хватает.

Несоответствие между интуитивными представлениями и теорией и делает переход к пространственно-временной перспективе таким пугающим. Еще хуже становится от того, что теорию относительности обычно излагают по восходящему принципу, то есть начинают с обычного взгляда на время и пространство, а затем говорят, как они изменяются в новом контексте. Людям рассказывают истории о растягивающихся стержнях и искаженных часах. Это все точно технически, но заслоняет красоту и простоту основополагающих концепций.

Мы пойдем другим путем. Наш путь в специальную теорию относительности будет нисходящим: мы с самого начала будем серьезно говорить о едином пространстве-времени и делать выводы, которые можно сделать. Придется немного напрячь мозги, но в результате мы глубже поймем релятивистский взгляд на вселенную.

Рождение пространства-времени

Создание теории относительности обычно приписывают Альберту Эйнштейну. Однако его работа — лишь замковый камень огромного монумента теоретической физики, который строился с тех пор, как Максвелл объединил электричество и магнетизм в единую теорию электромагнетизма. В середине XIX века Максвелл высказал идею о том, что свет — волна, колебания в электромагнитных полях, а значит, распространяется с определенной скоростью. Ученые того времени не до конца понимали, как поле может существовать само по себе и что же именно «колеблется» в световой волне.

Многие физики изучали гипотезу о том, что свет распространяется через среду, которую называли «светоносным эфиром». Однако никто из них так и не смог доказать, что он существует, а потому предлагались все более сложные доводы в пользу того, что светоносный эфир — субстанция необнаружимая. В 1905 году Эйнштейн заявил, что мы можем лучше понять законы физики без всякого эфира и он нам совсем не нужен. Все, что нам требовалось сделать, — принять совершенно новую концепцию пространства и времени. (Согласен, это непросто. Однако игра стоит свеч.)

Идеи Эйнштейна сейчас известны как специальная теория относительности. Ее основы изложены в работе «Об электродинамике движущихся тел», в которой доказана необходимость нового взгляда на длину и продолжительность. Ученый объяснил особую роль скорости света, предположив, что во Вселенной существует абсолютный предел скорости — скорость, с которой свет распространяется в пустом пространстве, и что она одинакова для всех, независимо от скорости того, кто измеряет ее значение. Но чтобы доказать эту теорию, Эйнштейну пришлось изменить привычные представления о времени и пространстве.

И все же он не предлагал объединить время и пространство в единое пространство-время. В 1907 году это сделал Герман Минковский, который когда-то работал профессором в университете. Место действия специальной теории относительности сегодня известно как пространство-время Минковского.

У многих из тех, кто впервые задумался о времени и пространстве как о едином четырехмерном континууме, возникает много вопросов. Какую форму имеет пространство-время? Оно плоское либо искривленное? Статичное или динамичное? Конечное или бесконечное? Пространство Минковского — плоское, статичное и бесконечное. Эйнштейн приложил много усилий к тому, чтобы включить в свою теорию гравитацию. В конце концов он понял, что пространство-время может быть динамичным и искривленным, а то, что мы ощущаем как гравитацию — влияние этой кривизны. В результате такого озарения появилась общая теория относительности.

Итак, специальная теория относительности говорит о плоском статичном пространстве-времени без гравитации, а общая — о динамичном пространстве-времени, кривизна которого порождает гравитацию. Обе теории считаются «классическими», хотя и заменяют некоторые принципы механики Ньютона. Для физиков слово «классический» не означает «нерелятивистский», оно означает «неквантовый». Несмотря на более сложное представление о времени и пространстве, в релятивистском контексте полностью сохраняются все принципы классической физики, включая возможность использовать динамику Гамильтона и принцип наименьшего действия.

Два определения времени

Знакомство со специальной теорией относительности обычно начинают с рассказов о «сокращении длины» и «растяжении времени». Эти понятия заслуживают уважения, но отражают старомодную тенденцию рассматривать время и пространство как отдельные фундаментальные понятия, хоть и более эластичные, чем мы привыкли.

Истина более глубока. Нам нужно расстаться с дорелятивистской привычкой разделять время и пространство, позволить им раствориться в едином пространстве-времени. Для этого лучше всего еще раз, более пристально посмотреть на то, что мы понимаем под временем. И лучше всего начать с нового взгляда на то, что мы думаем о пространстве.

Представьте себе две точки в пространстве: например, ваш дом и любимый ресторан. Каково расстояние между ними?