Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Это ошеломляющее развитие. Но мы теперь вернемся к нашей центральной теме: Как насчет ведра? Обеспечила ли ОТО физическую основу для реляционистских идей Маха, на что надеялся Эйнштейн?

На протяжении лет этот вопрос породил много дебатов. Сначала Эйнштейн думал, что ОТО полностью включает в себя взгляды Маха, эту точку зрения он считал настолько важной, что окрестил указанные взгляды принципом Маха. Фактически, в 1913, когда Эйнштейн неистово работал, чтобы вставить на место заключительные кусочки ОТО, он написал Маху воодушевленное письмо, в котором описал, как ОТО подтвердит анализ Маха ньютоновского эксперимента с ведром. [17] И в 1918, когда Эйнштейн написал статью, перечисляющую три важнейшие идеи после ОТО, третьим пунктом в этом списке был принцип Маха. Однако, ОТО коварна и она содержит особенности, которые обсуждались физиками, включая самого Эйнштейна, многие годы, прежде чем удалось разобраться в них полностью. Лучше всех понимая эти особенности, Эйнштейн столкнулся с возрастающими трудностями, пытаясь полностью включить принцип Маха в ОТО. Мало по малу он стал терять иллюзии по поводу идей Маха, и в последние годы своей жизни пришел к отказу от них. [18]

17. Charles Misner, Kip Thorne, and John Archibald Wheeler, Gravitation (San Francisco: W. H. Freeman and Co., 1973), pp. 544-45.

18. В 1954 Эйнштейн писал коллеге: "Собственно говоря, больше совсем не нужно говорить о принципе Маха" (как цитируется в Abraham Pais, Subtle Is the Lord, pp. 228).

После дополнительных пятидесяти лет исследований и сомнений мы можем по-новому рассмотреть рамки, в пределах которых ОТО соответствует рассуждениям Маха. Хотя все еще имеются некоторые разногласия, я думаю, что наиболее точным утверждением будет то, что в некоторых аспектах ОТО имеет отчетливый привкус махианства, но она не совпадает с полностью реляционистскими взглядами, которые защищал Мах. Это то, что я думаю.

Мах доказывал [19] , что когда поверхность вращающейся воды становится вогнутой, или когда вы чувствуете, что ваши руки отбрасываются прочь, или когда веревка, привязанная между двумя камнями, туго натягивается, это не имеет ничего общего с некоторым гипотетическим – и, с его точки зрения, полностью вводящим в заблуждение, – понятием абсолютного пространства (или абсолютного пространства-времени в нашем более современном представлении). Напротив, он доказывал, что это есть проявление ускоренного движения по отношению ко всей материи, которая рассеяна по всему космосу. Не было бы материи, не было бы понятия ускорения и не происходило бы никаких измеримых физических эффектов (вогнутая вода, отбрасываемые руки, туго натянутая веревка).

19. Как отмечалось ранее, последующие поколения приписывали следующие идеи Маху, даже если его собственные записи не описывают вещи явно в этом духе.

Что говорит ОТО?

В соответствии с ней точкой отсчета для любого движения, а для ускоренного движения в особенности, являются свободно падающие наблюдатели – наблюдатели, которые полностью поддались гравитации и не подвергаются действию никаких других сил.

Далее, ключевым моментом является то, что гравитационная сила, которой уступает свободно падающий наблюдатель, возникает от всей материи (и энергии), рассеянной в космосе. Земля, Луна, удаленные планеты, звезды, газовые облака, квазары и галактики – все они вносят вклад в гравитационное поле (на геометрическом языке – в кривизну пространства-времени) прямо там, где вы сейчас сидите. Тела, которые более массивны и менее удалены, оказывают большее гравитационное воздействие, но гравитационное поле, которое вы чувствуете, представляет объединенное влияние материи, которая "не здесь". [20] Траектория, которой вы следуете, когда вы полностью поддались гравитации и получили свободное падение, – точка отсчета, которой вы стали, чтобы рассудить, являются ли некоторые другие объекты ускоренными, – будет подвержена влиянию от всей материи в космосе, от звезд в небесах и от соседней двери дома. Поэтому в ОТО, когда объект называют ускоряющимся, это значит, что объект ускоряется по отношению к точке отсчета, определяемой материей, распыленной по всей вселенной. Это заключение, которое вызывает ощущения, которые защищал Мах. Итак, в этом смысле ОТО включает в себя некоторые из размышлений Маха.

20. Одна оговорка здесь заключается в том, что объекты, которые настолько удалены, что не имеется достаточно времени с начала вселенной, чтобы свет от них – или гравитационное воздействие – даже достигли нас, не влияют на гравитацию, которую мы ощущаем.

Тем не менее, ОТО не соответствует всем рассуждениям Маха, как мы можем прямо видеть из повторного рассмотрения вращающегося ведра в пустой во всех иных отношениях вселенной. В пустой неизменной вселенной – нет звезд, нет планет, нет совсем ничего – нет и гравитации. [21] А без гравитации пространство-время не деформировано - это соответствует простейшей неискривленной форме, показанной на Рис 3.9b, - а это значит, что мы вернулись в простейшее окружение СТО. (Вспомним, что Эйнштейн, пока разрабатывал СТО, игнорировал гравитацию. ОТО восполнила этот дефицит путем включения гравитации, но когда вселенная пуста и неизменна, там нет гравитации, так что ОТО сводится к СТО). Если мы теперь введем ведро в эту пустую вселенную, то оно имеет такую малую массу, что ее присутствие не окажет сильного воздействия на форму всего пространства. Так что обсуждение, которое мы вели ранее для ведра в СТО, также хорошо применимо для ОТО. В отличие от предсказаний Маха ОТО дает тот же ответ, как и СТО, и утверждает, что даже в пустой во всех иных отношениях вселенной вы будете чувствовать давление со стороны внутренней стенки вращающегося ведра; в пустой во всем остальном вселенной ваши руки будут отталкиваться прочь, если вы крутитесь кругом; в пустой во всем остальном вселенной веревка, привязанная между двумя крутящимися камнями, будет натягиваться. Заключение, к которому мы приходим, таково, что даже в ОТО пустое пространство-время обеспечивает точку отсчета для ускоренного движения. Отсюда следует, что хотя ОТО включает некоторые элементы размышлений Маха, она не присоединяется к полностью относительной концепции движения, которую отстаивал Мах. [22] Принцип Маха является примером провокационной идеи, которая обеспечила вдохновение для революционного открытия, хотя это открытие, в конечном счете, не включило в себя полностью породившую его идею.

21. Читатель-эксперт заметит, что это утверждение, формально говоря, слишком сильное, поскольку имеются нетривиальные (что означает, пространство-не-Минковского) решения пустого пространства для ОТО. Здесь я упростил, используя факт, что СТО может мыслиться как специальный случай ОТО, в котором гравитация игнорируется.

22. Для баланса позвольте мне заметить, что имеются физики и философы, которые не согласны с этим заключением. Даже если Эйнштейн отказался от принципа Маха в течение последних тридцати лет, этим он бросил вызов своей собственной жизни. Продвигались различные версии и интерпретации идей Маха и, например, некоторые физики предполагали, что ОТО фундаментально включает в себя идеи Маха; это точно, что некоторые особые формы, которые может иметь пространство-время, – такие как бесконечное плоское пространство-время в пустой вселенной, – не реализуются. Возможно, они предполагали, что любое пространство-время, которое отдаленно реалистично – населено звездами и галактиками, и так далее – удовлетворяет принципу Маха. Другие предлагали переформулировку принципа Маха, в которой проблема больше не в том, как объекты, такие как связанные струной камни или наполненное водой ведро, ведут себя в пустой во всех иных отношениях вселенной, а скорее, как различные временные сечения – различные трехмерные пространственные геометрии – соотносятся друг с другом через время. Информационная ссылка на современные размышления по поводу этих идей такова: Mach's Principle: From Newton's Bucket to Quantum Gravity, Julian Barbour and Herbert Pfister, eds. (Berlin: Birkhauser, 1995), где собрана коллекция эссе по данной теме. Как интересное отступление, эта ссылка содержит опрос примерно сорока физиков и философов по поводу их взгляда на принцип Маха. Большинство (90 процентов) согласны, что ОТО не полностью совпадает с идеями Маха. Другое превосходное и предельно интересное обсуждение этих идей с точки зрения, которая явно поддерживает Маха, и на уровне, доступном широкому читателю, есть книга Julian Barbour, The End of Time: The Next Revolution in Physics (Oxford: Oxford University Press, 1999).

Пространство-время в третьем тысячелетии

Вращающееся ведро имело долгую историю. От ньютоновского абсолютного пространства и абсолютного времени к реляционистским концепциям Лейбница и Маха, к осознанию Эйнштейном в СТО, что пространство и время относительны и только в их единстве возникает абсолютное пространство-время, к его последующему открытию в ОТО, что пространство-время является активным игроком в раскрывающемся взгляду космосе, ведро всегда присутствовало там. Прокрутив время в уме назад, видим, что ведро обеспечило простой и спокойный тест, является ли невидимый, абстрактный, неощутимый материал пространства – и, более общо, пространства-времени – реально достаточным, чтобы обеспечить полную систему отсчета для движения. Вердикт? Хотя проблема все еще обсуждается, как мы теперь видим, наиболее прямое прочтение Эйнштейна и его ОТО есть то, что пространство-время может обеспечить такую точку отсчета: пространство-время есть нечто. [23]

23. Склонный к математике читатель может счесть познавательным, что Эйнштейн верил, что пространство-время не имеет независимого от его метрики существования (метрика – математическое понятие, которое дает соотношения между расстояниями в пространстве-времени), так что, если удалить все, – включая метрику, – пространство-время не будет больше представлять собой нечто. Но говоря "пространство-время", я всегда имел его в виду как многообразие вместе с метрикой, которая является решением уравнений Эйнштейна, так что заключение, которого мы достигли, на математическом языке звучит так: метрическое пространство-время представляет собой нечто.

Хотя отметим, что это заключение также вызывает торжество среди последователей более широко определенного реляционистского мировоззрения. С точки зрения Ньютона, а также с точки зрения СТО пространство и пространство-время привлекаются как сущности, которые обеспечивают систему отсчета для определения ускоренного движения. И, поскольку в соответствии с этими точками зрения пространство и пространство-время абсолютно неизменяемы, это определение ускорения абсолютно. В ОТО, однако, характер пространства-времени совершенно иной. Пространство и время активны в ОТО: они изменчивы; они реагируют на присутствие массы и энергии; они не абсолютны. Пространство-время и, в особенности, способ, которым оно деформируется и искривляется, есть воплощение гравитационного поля. Так что в ОТО ускорение по отношению к пространству-времени далеко от абсолютной, непоколебимо нереляционистской концепции, привлекаемой предыдущими теориями. Вместо этого, как выразительно утверждал Эйнштейн за несколько лет до своей смерти, [24] ускорение по отношению к пространству-времени ОТО относительно. Это не ускорение относительно материальных объектов вроде камней или звезд, но это есть ускорение относительно чего-то точно существующего, материального и изменяемого: поля – гравитационного поля.* В этом смысле пространство-время – будучи инкарнацией гравитации – настолько реально в ОТО, что точка отсчета, которую оно обеспечивает, является тем, что многие реляционисты могут спокойно принять.

24. Max Jammer, Concepts of Space, p. xvii.

(*) "В СТО – специальном случае ОТО, в котором гравитационное поле равно нулю, – эта идея используется без изменений; нулевое гравитационное поле все еще поле, то есть нечто такое, что может быть измерено и изменено, а потому обеспечивает нечто, по отношению к чему может быть определено ускорение."

Дебаты по поводу проблем, обсуждавшихся в этой главе, будут, без сомнения, продолжены, как только мы нащупаем понимание того, что же представляют из себя пространство, время и пространство-время на самом деле. С развитием квантовой механики интрига только запутывается.

Концепция пустого пространства и пустоты получила в итоге новый смысл, на сцену вышла квантовая неопределенность. В самом деле, с 1905 года, когда Эйнштейн избавился от светоносного эфира, идея о том, что пространство заполнено невидимыми субстанциями, боролась за решительное возвращение. Как мы увидим в следующих главах, ключевые разработки в современной физике вводили заново различные формы подобных эфиру сущностей, ни одна из которых не устанавливала абсолютный стандарт для движения подобно первоначальному светоносному эфиру, но все из которых полностью подвергали сомнению наивную концепцию о том, что означает для пространства-времени быть пустым. Более того, как мы сейчас увидим, сама основная роль, которую пространство играет в классической вселенной, – как среда, которая отделяет один объект от другого, как промежуточный материал, который позволяет нам определенно утверждать, что один объект отличен и независим от другого, – основательно ставится под вопрос поразительными квантовыми связями.

4 Запутанное пространство

ЧТО ОЗНАЧАЕТ БЫТЬ РАЗДЕЛЕННЫМ В КВАНТОВОЙ ВСЕЛЕННОЙ?

Чтобы принять СТО и ОТО, надо отказаться от ньютоновского абсолютного пространства и абсолютного времени. Поскольку это не легко, вы можете потренировать ваш ум, чтобы сделать это. Всякий раз, когда вы перемещаетесь, представьте себе, что вы отодвигаетесь от текущих моментов, переживаемых всеми остальными, которые не движутся вместе с вами. В то время, как вы едете вдоль магистрали, представьте ваши часы, тикающие с отличающимся темпом по сравнению с хронометрами в домах, которые вы проезжаете. Пока вы обозреваете окрестности с вершины горы, представьте, что вследствие деформированного пространства-времени время для вас течет более быстро, чем для тех, кто подвержен действию более сильной гравитации на земле далеко внизу. Я говорю "представьте". Поскольку в обычных обстоятельствах, подобных перечисленным, релятивистские эффекты настолько мизерны, что проходят полностью незамеченными. Таким образом, повседневный опыт не может вскрыть, как на самом деле работает вселенная, и в этом причина, почему за сто лет после Эйнштейна почти никто даже среди профессиональных физиков не ощущает релятивистские эффекты в своих делах. Это не удивительно; затруднительно найти долговечные преимущества, предлагаемые глубоким пониманием теории относительности. Порочные ньютоновские концепции абсолютного пространства и абсолютного времени великолепно работают при малых скоростях и умеренной гравитации, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, так что наши чувства находятся в неизменном затруднении, чтобы обнаружить релятивистский мир. Следовательно, требуются глубокая осведомленность и правильное понимание того, что мы усердно используем наш интеллект, чтобы заполнить пробелы, оставляемые нашими чувствами.

В то время, как теория относительности представила монументальный слом традиционных идей о вселенной, другая революция между 1900 и 1930 перевернула физику вверх дном. Она началась на рубеже двадцатого столетия парой статей о свойствах радиации, принадлежащих одна Максу Планку, а другая Эйнштейну; они и привели после тридцати лет интенсивных исследований к формулировке квантовой механики. Как и с теорией относительности, чьи эффекты становятся существенными при экстремальных скоростях или гравитации, новая физика квантовой механики проявляется в полной мере только в другой экстремальной ситуации: в области экстремально малого. Однако есть резкое отличие между потрясениями, вызванными теорией относительности и квантовой механикой. Необычность теории относительности возникает вследствие того, что наши собственные ощущения пространства и времени отличаются от ощущений других. Это необычность, рожденная сравнением. Мы вынуждены признать, что наш взгляд на реальность лишь один из многих, – фактически, из бесконечного числа, – которые все сводятся воедино в рамках монолитного целого пространства-времени.

Квантовая механика иная. Ее необычность ясна вне сравнения. Ввести в ваш ум квантовомеханическую интуицию тяжелее, поскольку квантовая механика разбивает вдребезги нашу собственную, персональную, индивидуальную концепцию реальности.

Мир в соответствии с квантовым подходом

Каждая эпоха разрабатывает свои истории и метафоры о том, как была задумана и структурирована вселенная. В соответствии с древнеиндийским мифом творения вселенная была создана, когда боги расчленили изначального гиганта Пурушу, чья голова стала небом, чьи ступни стали землей, а дыхание ветром. По Аристотелю вселенная являлась собранием пятидесяти пяти концентрических кристаллических сфер, самая дальняя из которых от центра была небесами, окружающими планеты, Землю и их элементы, и, наконец, семь кругов ада. [1] Во время Ньютона с его точной, математически определенной формулировкой движения описание опять изменилось. Вселенная была связана с ходом гигантского великого часового механизма: после того, как он был заведен и установлен в исходное состояние, часовой механизм вселенной тикает от одного момента к следующему с совершенной регулярностью и предсказуемостью.

1. Более точно это является средневековой концепцией с историческими корнями, восходящими к Аристотелю.