Карло Ровелли - Краткая теория времени [калибрятина]

Представление о пространстве, лежащее в основе наиболее знакомой нам картины мира, – это представление об огромном «ящике», в котором мир и находится. В этом ящике все единообразно, все совершается по одним и тем же законам, без каких-либо привилегированных направлений движения. Здесь применима геометрия Евклида, здесь развертываются мировые процессы. Все известные нам объекты состоят из частиц, находящихся в этом пространстве-ящике. Теория всемирного тяготения Ньютона была создана для такого пространства. А ньютоновская теория тяготения еще и сейчас остается базовой для бесчисленных технологических и инженерных применений физики во всех сферах.

Через двести лет после Ньютона, в конце XIX века, Джеймс Клерк Максвелл и Майкл Фарадей занимались изучением электрической энергии в пространстве между двумя заряженными телами. Их исследование привело к тому, что они изменили известное описание пространства. Рядом с ньютоновским пространством и частицами появился третий компонент – электромагнитное «поле», новый «объект», и он имел огромную значимость для всех будущих физических исследований.

Электромагнитное поле – это то, что лежит в основе электрической и магнитной сил. Поле – рассеянная целостность, которая заполняет все пространство. Фарадей представлял его как единство множества линий [2], исходящих из положительных электрических зарядов в направлении к отрицательным. На рисунке 1 показаны такие линии. В действительности их число бесконечно и ими без разрывов можно заполнить все пространство, они как нити нематериальной паутины, пронизывающей три пространственных измерения.

Через любую точку проходит одна из линий Фарадея. Направление этой линии в данной точке указано вектором (маленькой стрелкой), касательным к линии. Поле проявляется как электрическая сила, действующая на находящийся в этой точке электрический заряд в направлении, обозначенном вектором.

Рисунок 1.Электрическое поле между двумя зарядами: поле изображено «линиями Фарадея». Направление электрической силы в отдельно взятой точке указано стрелкой.

Великое открытие Фарадея и Максвелла заключалось в том, что поле – это автономное образование, независимое от самих электрических зарядов. Если таких зарядов нет, «линии Фарадея» все равно существуют. Если нет зарядов, к которым линии могли бы вести, то они замыкаются на себе и образуют петли. Одна из таких фарадеевых линий изображена на рисунке 2. Направление электрической силы в каждой точке пространства показано вектором, касательным к линии в данном месте.

Электромагнитное поле не создается зарядами. Оно – автономное образование, которое всегда существует и изменяется время от времени из-за присутствия электрических зарядов, но не является их результатом. Для того чтобы существовать, заряды полю не нужны.

На язык математических формул наблюдения и догадки Фарадея перевел Максвелл. Электромагнитное поле с его линиями, каким его представлял себе Фарадей, описано уравнениями Максвелла. У Фарадея, гениального экспериментатора, великого провидца, не было для этого математической подготовки.

Форма линии Фарадея нестабильная и неслучайная, она подчиняется закономерностям, описанным в уравнениях Максвелла. Линия меняет форму под воздействием соседних линий или электрических зарядов. Когда такие заряды присутствуют, они «открывают» петли и придают электромагнитному полю тот вид, который представлен на рисунке 1. Электромагнитное поле описывается и ведет себя как как совокупность фарадеевских линий. Эти линии пребывают в постоянном движении, как волны в море, и их движение распространяется от одной к другой.

Рисунок 2.Замкнутая линия Фарадея, то есть петля. Стрелками указано направление электрической силы, которая в каждой точке перпендикулярна линии Фарадея. Эти линии заполняют все пространство и служат визуализацией электромагнитного поля.

Когда в поле согласованным образом, от одной точки к другой, распространяются изменения, то говорят, что между этими точками помещена электромагнитная волна. Тогда длина и направление вектора, представляющего электрическую силу, колеблются с некоторой периодичностью. Скорость и величина колебаний определяют свойства волны: ее длину и интенсивность. Герц первым использовал радиоволны для того, чтобы передавать информацию на расстоянии, открыв путь сотням других применений новой теории, которые постепенно обогатили технологию и изменили облик мира.

Максвелл был гениален в том, что понял: свет – не что иное, как быстрое волновое движение линий одной из разновидностей электромагнитного поля. В случае с радиоволнами колебание волны медленное, а в случае света – быстрое, но речь там и там идет об одном и том же – о периодическом изменении электромагнитного поля.

Иногда говорят, что электромагнитное поле невидимо. Это не так: то, что мы «видим», и есть электромагнитное поле. Когда мы смотрим на что-то, наши глаза чувствительны не к самому объекту наблюдения, а к колебаниям электромагнитного поля между ним и нами, к свету, отраженному объектом. Представьте себе отражение в зеркале, проекцию фильма на экран в кинотеатре или голограмму. Во всех этих случаях в конкретном месте нет объекта, который, как нам кажется, мы видим, – есть только свет, направленный так, как если бы объект там был. И во всех этих случаях мы имеем один и тот же результат.

Труды Фарадея и Максвелла внесли лишь некоторые изменения в ньютоновскую картину мира, но не подвергли ее фундаментальной трансформации. По-прежнему кажется, что пространство существует как ящик, в котором что-то движется. Просто к ящику и частицам в нем теперь добавился третий компонент – электромагнитное поле.

Теория относительности

Революция в понимании пространства произошла в 1915 году благодаря Эйнштейну. Он был заворожен работами Максвелла и, со своей стороны, дал новое объяснение силе притяжения, или гравитации (той силе, которая притягивает нас к Земле и удерживает Землю рядом с Солнцем, а Луну рядом с Землей). Эйнштейн понял, что следует говорить о гравитационном поле, подобном электромагнитному.

Точно так же, как энергия от одного заряда к другому переносится электромагнитным полем через пространство между ними, гравитация между двумя объектами, обладающими массой, переносится гравитационным полем. Значит, должны существовать и гравитационные «линии Фарадея», при помощи которых можно представить взаимные связи масс и поле, занимающем все пространство. Это поле может двигаться, вибрировать, в нем могут возникать волны. Эйнштейн ввел понятие гравитационного поля и предложил уравнения, которые сегодня называются уравнениями Эйнштейна, аналогичные уравнениям Максвелла.