Терри Пратчетт - Наука Плоского Мира III: Часы Дарвина

Частицы, которые не испытывают на себе действие внешних сил, в ньютоновской физике движутся вдоль прямых линий. Прямая — это кратчайший путь между двумя точками. В теории относительности свободные частицы выбирают путь с наименьшим интервалом, двигаясь вдоль геодезических линий. Наконец, гравитация в этой теории проявляется не в качестве дополнительной силы, а в виде искажения пространственновременной структуры, которое изменяет величины интервалов и форму геодезических кривых. Такой переменный интервал между близлежащими событиями называется метрикой пространства-времени.

Обычно в таком случае говорят об «искривлении» пространства-времени, но это выражение может легко ввести в заблуждение. Например, пространство-время не обязательно должно что-либо огибать. Физической интерпретацией кривизны служит сила тяготения, которая деформирует световые конусы событий.

Одним из проявлений этой деформации является эффект «гравитационной линзы» — искривление света под действием массивных объектов, которое было открыто Эйнштейном в 1911 и опубликовано в 1915. Он предсказал, что гравитационное искривление света должно вдвое превышать величину, полученную на основании законов Ньютона. Этот прогноз был подтвержден в 1919 году, когда сэр Артур Стэнли Эддингтон возглавил экспедицию для наблюдения полного солнечного затмения в западной Африке. Другая экспедиция под руководством Эндрю Кроммелина из Гринвичской лаборатории отправилась в Бразилию. Во время затмения обе экспедиции произвели наблюдение звезд, расположенных вблизи края солнечного диска — в обычных условиях эти звезды не видны, так как их заслоняет более яркий свет Солнца. Они обнаружили в видимом расположении звезд небольшие отклонения, подтверждающие предсказание Эйнштейна. Обрадованный Эйнштейн послал своей маме открытку со словами: «Дорогая мама, сегодня у меня хорошие новости… английские экспедиции подтвердили, что свет действительно отклоняется от Солнца». Заголовок очередного выпуска Times гласил: «ПЕРЕВОРОТ В НАУКЕ. НОВАЯ ТЕОРИЯ ВСЕЛЕННОЙ. СВЕРЖЕНИЕ ИДЕЙ НЬЮТОНА». А в середине второй колонки был помещен подзаголовок: ««ИСКРИВЛЕННОЕ» ПРОСТРАНСТВО». За одну ночь Эйнштейн стал знаменитостью.

Было бы невежливо упомянуть тот факт, что в настоящее время результаты упомянутых наблюдений выглядят весьма сомнительно — возможно, свет действительно следовал по искривленному пути, а, возможно, и нет. Так что на этот счет мы промолчим. К тому же, более поздние и точные эксперименты все-таки подтвердили предсказание Эйнштейна. Некоторые отдаленные квазары создают множественные изображения наподобие космического миража, когда их свет искривляется под действием галактики, оказавшейся на его пути.

Пространство-время обладает искривленной метрикой.

Вблизи звезды пространство-время перестает быть плоским и принимает форму искривленной поверхности, окружающей звезду наподобие круглой «ямы». Свет, который на этой поверхности движется вдоль геодезических линий, «затягивается» в яму, поскольку такой маршрут ведет к более короткому пути. Частицы, движущиеся в пространстве-времени с досветовыми скоростями, ведут себя аналогичным образом; они отклоняются от прямолинейных траекторий и притягиваются к звезде — отсюда и возникает ньютоновское представление о силе тяготения.

На большом расстоянии от звезды пространство-время в действительности мало чем отличается от пространства-времени Минковского; иначе говоря, влияние гравитации в нем быстро уменьшается и вскоре становится пренебрежимо малым. Пространство-время, которое на больших расстояниях подобно пространству-времени Минковского, называется «асимптотически плоским». Запомните этот термин: в вопросах создания машины времени он играет важную роль. Наша Вселенная по большей части является асимптотически плоской, так как массивные объекты — например, звезды — расположены на большом расстоянии друг от друга.

Мы не можем придать пространству-времени какую-то произвольную форму. Его метрика должна соответствовать уравнениям Эйнштейна, которые связывают движение свободных частиц с величиной отклонения от плоского пространства-времени.

Мы уже довольно долго обсуждаем поведение пространства и времени, но что они собой представляют? Честно говоря, мы не имеем ни малейшего понятия. Единственное, в чем можно быть уверенным, так это в том, что внешность бывает обманчивой.

Тик.

Некоторые ученые доводят этот принцип до крайности. Джулиан Барбур в книге «Конец времени» («The End of Time») утверждает, что с точки зрения квантовой механики время просто не существует.

Ти…

В 1999 году в журнале «New Scientist» он привел примерно следующее объяснение своей идеи. В любой момент времени состояние каждой частицы во Вселенной можно представить в виде точки гигантского фазового пространства, которое Барбур называет Платонией. Вместе со своим коллегой Бруно Бертотти он сумел перевести на язык Платонии традиционную физику. Ход времени, с точки зрения Платонии, представляет собой перемещение точки, описывающей конфигурацию всех частиц во Вселенной — то есть некую траекторию, похожую на релятивистскую мировую линию. Платонианское божество могло бы последовательно воплощать в реальность точки этой траектории — в результате частицы пришли бы в движение и возникло бы видимое течение времени.

Однако квантовая Платония устроена куда более странно. Здесь, говоря словами Барбура, «время стало жертвой квантовой механики». Квантовая частица — это не точка, а размытое вероятностное облако. А квантовое состояние всей Вселенной — это размытое облако в Платонии. «Размер» такого облака по отношению к размеру самой Платонии описывает вероятность того, что Вселенная окажется в одном из состояний, составляющих облако. Таким образом, мы вынуждены ввести в Платонию некий «вероятностный туман», который в зависимости от конкретной области может менять свою плотность, указывая тем самым на вероятность того, что облако окажется именно там.

Но, — отмечает Барбур, — «вероятности не могут зависеть от времени, поскольку понятия времени в Платонии просто не существует. Можно лишь задать один-единственный набор вероятностей, соответствующих всем возможным конфигурациям». Есть только один вероятностный туман, и он никогда не меняется. В такой интерпретации время оказывается иллюзией. Будущее не предопределено настоящим, но вовсе не из-за случайности, а просто потому что никакого настоящего или будущего не существует.

В качестве аналогии представьте себе детскую игру «змеи и лестницы». Участники, бросая кости, передвигают свои фигурки с одного квадрата на другой; традиционное игровое поле состоит из ста квадратов. Некоторые квадраты соединены лестницами — тогда, заняв нижний квадрат, вы моментально поднимаетесь наверх; другие соединены змеями, и, оказавшись наверху, вы сразу же опускаетесь вниз. Выигрывает тот, кто первым достигнет последнего квадрата.