Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Мы привыкли считать, что в пространстве есть три измерения (с востока на запад, с севера на юг и сверху вниз), а во времени — только одно (из прошлого в будущее). Но на самом деле все эти измерения сводятся к одному пространству-времени. Будучи жителями трёхмерного пространства, мы не можем воспринимать четырёхмерное пространство-время во всей его полноте. Вместо этого мы видим лишь тени четырёхмерной реальности. Одну из них отбрасывает время, а ещё три — пространство.

Когда Эйнштейн учился в Швейцарской федеральной политехнической школе, математику ему преподавал профессор по имени Герман Минковский. Известно, что поначалу он называл своего студента «ленивым псом», но потом распознал в нём гения. Кроме того, он понял кое-что, чего сам Эйнштейн поначалу не замечал. Его теория объединила пространство и время. «С этого момента время и пространство сами по себе уйдут в тень, и лишь их союз сможет выжить», — говорил Минковский.

Британский математик и коллега Стивена Хокинга Роджер Пенроуз писал: «Самый главный урок, который даёт нам теория относительности, состоит в том, что концепции времени и пространства нельзя рассматривать независимо друг от друга. Их необходимо сочетать, чтобы получить четырёхмерную картину явления. Теперь мы описываем явления в контексте пространства-времени». [138] Цит. по: Misner C. Kip Thorne and John Wheeler, Gravitation. — New York: W. H. Freeman, 1973. — P. 937.

Если пространство-время существует и в нём время имеет общие характеристики с пространством, а пространство — с временем, значит, события, происходящие во Вселенной, можно отобразить растянутыми на четырёхмерной карте, как карта ландшафта растягивается на двумерной. Мы находимся внутри этой карты, и потому время для нас течёт. Но если взглянуть на эту карту снаружи глазами Эйнштейна, мы увидим, что оно неподвижно. На ней сосуществуют все события, от Большого взрыва до гибели Вселенной. Жизнь каждого человека представляет собой цепочку таких событий, или «мировую линию», как говорят физики, и отмечена на карте полосой.

«Вещественный мир не происходит, он просто есть, — писал в 1949 году немецкий физик Герман Вайль. — Часть этого мира оживает лишь для моего взгляда и сознания, движущегося по мировой линии вместе с моим телом; оживает как зыбкая картина пространства, которое постоянно изменяется со временем». Вайль косвенно признаёт, что наше ощущение текущего времени не имеет физического объяснения. Дело только в биологии и в том, как наш мозг воспринимает реальность. [139] «Сейчас самый подходящий момент» (No time like the present): Chown M. The Never-Ending Days of Being Dead. — London: Faber & Faber, 2007. «Реальность — это всего лишь иллюзия, пускай и очень упрямая», — говорил Эйнштейн.

Идея о том, что все события сосуществуют на четырёхмерной карте пространства-времени, стала для Эйнштейна некоторым утешением, когда его близкий друг Бессо умер в 1955 году. «Он ушёл из этого странного мира, немного опередив меня, — писал Эйнштейн семье покойного. — Но это ничего не значит. Люди вроде нас, те, кто верит в физику, понимают, что различия между прошлым, настоящим и будущим — это только упрямая иллюзия».

Пространство и время служат основаниями практически для всех концепций физики, и как только выяснилось, что полагаться на них нельзя, это затронуло и множество других физических понятий. Возьмём, к примеру, электрические и магнитные поля. Как время и пространство являются аспектами одного и того же явления, так и электрические и магнитные поля оказались проявлениями одного и того же — электромагнитного поля. На самом деле идея Эйнштейна устранила парадокс в теории Максвелла.

Согласно Максвеллу, если вы движетесь рядом с электрическим зарядом, например электроном, таким образом, что относительно друг друга остаётесь в состоянии покоя, вы ощущаете электрическое поле. Если же электронный заряд движется относительно вас, вы испытываете на себе влияние электрического и магнитного полей. Соответственно, если вы движетесь параллельно движению магнита, вы почувствуете магнитное поле, а если магнит движется относительно вас — магнитное и электрическое поле.

Как это возможно? Почему, если смотреть с одной точки зрения, электрическое или магнитное поле существует, а если с другой, то исчезает? Эйнштейн понял, что ответ может быть только один. Электрическое и магнитное поле — это всего лишь различные проявления одной сущности, электромагнитного поля. Сколько проявлений вы видите, зависит от вашей скорости движения относительно источника электромагнитного поля. Но Эйнштейн не просто показал, что электрическое и магнитное поле — это две стороны одной медали, равно как и пространство и время. Он также продемонстрировал, что масса и энергия тоже являются двумя частями одного целого. [140] Строго говоря, импульс и энергия. Это объединение можно назвать величайшим выводом из теории относительности.

К моменту публикации статьи Эйнштейна об основах относительности 28 сентября 1905 года в журнале Annalen der Physik его редактор получил от Эйнштейна дополнение к статье на трёх страницах. В нём-то [141] Einstein A. Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? // Annalen der Physik. — 1905. — Vol. 18. — P. 639–641. (Рус. пер.: Эйнштейн А. Зависит ли масса тела от содержащейся в нём энергии. — 1905.) и содержалась, вероятно, самая известная физическая формула: E = mc 2.

Это был невероятный и неожиданный вывод. Из него следовало, что масса представляет собой всего лишь ещё одну форму энергии наряду со звуковой, тепловой или электрической. Её отличительной особенностью является только максимальная компактность. Формула Эйнштейна, в которой масса тела m умножается на квадрат очень большого числа c , скорости света, показывает нам, что даже небольшая масса содержит в себе огромное количество энергии, E .

Фундаментальная характеристика нашего мира состоит в том, что одна форма энергии может быть конвертирована в другую, скажем, электричество — в свет лампочки или химическая энергия пищи — в кинетическую энергию ваших мышц. И масса-энергия не исключение из этого правила. Её тоже можно превратить в другие типы энергии, например в тепло и свет. Чудовищное доказательство этому было приведено в августе 1945 года в японских городах Хиросима и Нагасаки.

Но формулу E = mc 2можно прочитать и в другом направлении. Не только масса является формой энергии, но и энергия имеет массу. И в данном случае мы говорим обо всех видах энергии. Масса есть у энергии звука, у тепла, у химической энергии и, что самое важное, у энергии кинетической.