Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

Рис. 9.4. Теперь мы делаем шаг в следующую размерность и строим гиперкуб из этого набора, содержащего восемь трехмерных кубов (один спрятан прямо под верхним кубом), путем склеивания вместе соседних граней. Нам также нужно склеить две грани, помеченные темными плоскостями и точечной линией. Тем, кто ограничен тремя измерениями, трудно увидеть, как можно выполнить эту операцию, но в четырех измерениях это сделать легко.

Евклидова геометрия была завершена в семнадцатом столетии, когда, как мы видели в главе 3, Исаак Ньютон (1643-1727), дополнив наблюдения Галилея статическим описанием пространства, данным Евклидом, построил описание движения в этом пространстве. Чтобы проделать это, Ньютон ввел понятие силы, влияния, которое отклоняет движение частиц от прямолинейного и заставляет их двигаться с переменной скоростью. В контексте текущего обсуждения мы можем рассматривать вклад Ньютона как первую достаточно успешную попытку соединить время и пространство. Это пытался сделать еще Аристотель, но он не добился успеха, поскольку недооценивал возможности геометрии для определения путей: он думал, исходя из опыта перемещения по земле, что для поддержания движения частицы по прямой линии необходимо прилагать силу. Ньютон, напротив, ощутил возможности геометрии для определения путей частиц. Он ввел понятие силы, чтобы выразить отклонение от естественного движения, за которое он принял равномерное движение по прямой линии.

Для Ньютона, как и 2000 лет назад для Аристотеля, пространство и время были абсолютны, причем пространство было подмостками, которые делили между собой актеры, играющие на сцене, а время было тикающим параметром, общим для всех них:

Абсолютное пространство, в своей собственной природе, без связи с чем-нибудь внешним, всегда остается однородным и неподвижным… Абсолютное, истинное и математическое время, само по себе, исходя из своей собственной природы, течет равномерно, без связи с чем-нибудь внешним.

Если у меня сегодня четверг, так и у всех четверг, и если у меня на это уходит час, то и у всех на это уходит час. Если для одного наблюдателя две точки удалены друг от друга на километр, то и для всех наблюдателей между ними километр. Другими словами, пространство является фиксированной, абсолютной сценой, а время тикает универсально.

Понятие действия на расстоянии, с помощью которого звезды могли бы искривлять путь отдаленных планет в нечто, подобное кругу, было глубоко озадачивающим. Ньютон и сам видел, что в его теории имелся дефект, Но он реалистически относился к своим возможностям и удовлетворился тем, что оставил эту загадку будущим головам: он откусывал понемногу, а не заглатывал. Голова, почти в одиночку разрешившая загадку, принадлежала Эйнштейну, и в оставшейся части этой главы мы увидим, какого грандиозного понимания он достиг.

Альберт Эйнштейн (1879-1955) двинул цивилизацию вперед двумя шагами. На первом он привязал пространство ко времени более тесным образом, чем пытался это сделать Ньютон. Осуществив это, он разрушил ньютоновские представления об абсолютном пространстве и времени и перечеркнул универсальное тиканье. На втором шаге он устранил одно из величайших достижений Ньютона, понятие универсального тяготения как силы. Великие загадки часто решаются посредством их устранения, и ученые должны получать удовольствие, отбрасывая главенствующие концепции, включая их собственные. Мы присоединимся к Эйнштейну теми же двумя шагами. Второй шаг, более значительный, не может быть пройден без первого, и нам придется проследовать по этому пути, если мы действительно хотим глубоко понять, «что, где и когда» является местом нашего обитания.

Первым достижением Эйнштейна была частная теория относительности (из-за неправильного перевода с немецкого, раньше ее называли специальной теорией относительности). Частная теория относительности является описанием наблюдений, которые производят люди, находящиеся в равномерном относительном движении без ускорения. Центральным замечанием Эйнштейна было замечание о том, что для наблюдателя, находящегося в равномерном движении, невозможно, не выглядывая из окна, определить, движется он или нет. Это заключение Эйнштейн сжато выразил утверждением, что все инерциальные системы отсчета эквивалентны. «Инерциальная система отсчета» — это просто подмостки, движущиеся с постоянной скоростью по прямой линии. У Галилея в начале семнадцатого века возникла та же идея, когда он вообразил путешествие в каюте без окон на лодке, плывущей по спокойному морю: он не смог представить себе никакого эксперимента, позволяющего определить, движется ли лодка. Чтобы найти современный пример инерциальной системы отсчета, мы можем представить себе эксперименты, которые мы проводим в кабине космического аппарата, находящегося в свободном полете: если у нас нет связи с внешним миром, мы не сможем определить, движется ли он. Решающей разницей между Галилеем и Эйнштейном, а также между двумя разделяющими их веками оказалось то, что в распоряжении Эйнштейна была информация об электричестве и магнетизме, так же как о динамике движущихся тел (маятников и так далее).

Чтобы понять значение идеи Эйнштейна об эквивалентности инерциальных систем отсчета, представим себе, что вы и я, являемся авторами учебников. Я полагаю, что я неподвижен в лаборатории, где я провожу серию экспериментов; вы думаете, что вы находитесь в лаборатории, движущейся относительно меня по прямой линии со скоростью 1 000 000 000 километров в час (км/ч; эта скорость соответствует примерно 93 процентам от скорости света, путешествие вокруг Земли с этой скоростью заняло бы 0,14 сек.). В отличие от других авторов, которые, чтобы составить свои тексты, полагаются на работы других, мы решили сами выполнить все классические эксперименты — бросание Галилеем камушков с падающей башни в Пизе, открытие Фарадеем электромагнитной индукции, бесплодные поиски Майкельсона и Морли свидетельств движения через эфир и так далее. С точки зрения Эйнштейна, каждый из нас написал бы по существу один и тот же учебник, несмотря на тот факт, что вы путешествуете относительно меня со скоростью 1 000 000 000 км/ч. Наши слова, конечно, были бы различными, но курсы физики, которым мы обучаем, были бы неразличимыми. Если бы мы обменялись учебниками, я смог бы пользоваться вашим, а вы моим. Эквивалентность наших учебников распространяется на всю физику, не только на движущиеся частицы (Галилей), но также на электричество и магнетизм (Эйнштейн).

Теперь мы подходим к центральному пункту. Многие уравнения физики, в частности описывающие электричество и магнетизм, зависят от скорости света с. Проблема в следующем. В моих главах, посвященных электромагнетизму, используемые мною выражения требуют некоторого значения с, которое я измерил в моей лаборатории. Выражения, которые используете вы в своей главе, также содержат определенное значение с, и, чтобы я мог преподавать физику по вашему учебнику, значение величины с, которое измерили вы, должно быть в точности тем же самым, что измерил я. Другими словами, когда вы измеряете с, вы получаете то же значение, что и я, хотя вы двигаетесь со скоростью 1 000 000 000 км/ч относительно меня. Только в этом случае ваш учебник будет согласован с моим.

Тот факт, что наблюдатели в разных инерциальных системах отсчета (вы и я) получают при измерении одну и ту же скорость света, имеет глубочайшие следствия для нашего понимания пространства и времени. Например, он разрушает понятие универсальной одновременности и уничтожает концепцию пространства как только арены. Поскольку эти замечания разрушают все, во что мы привыкли верить, настает решающий момент для пересмотра нашего понимания природы. Нам необходимо увидеть более точно, что из этого следует.

Как это может быть, что вы получаете в измерении то же значение с, хотя вы так быстро двигаетесь относительно меня? Одно объяснение состоит в том, что ваши измерения расстояния и времени отличны от моих. Например, если ваша измерительная линейка короче, чем моя, а ваши часы идут медленнее, то значения, измеренные вами, будут отличаться от моих, хотя мы и наблюдаем одно и то же явление. Таким образом, может быть, что «толчок», который вы даете лучу света, излучаемому из лампы, движущейся на 1 000 000 000 км/ч быстрее моей, гасится этими видоизменениями вашего восприятия пространства и времени. То есть толчок, даваемый свету вашим движением, может быть полностью погашен этим изменением восприятия. Такие видоизменения уже предлагались ранее ирландским физиком Джорджем Фитцджеральдом (1851-1901) и голландским физиком Хендриком Лоренцом (1853-1928) и были известны как сокращение Лоренца-Фитцджеральда. Достижение Эйнштейна заключалось в том, что он дал их чисто ситуационному предположению более твердую и глубокую теоретическую основу, предложив считать его следствием геометрии времени и пространства.