Джордж Массер - Нелокальность: Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего

Но что это могла быть за среда? Фарадей первоначально представлял ее себе как обычное вещество, состоящее из маленьких частиц, каждая из которых в отдельности подчиняется законам движения Ньютона. Но постепенно он осознал, что электромагнитная среда не могла состоять из обычного вещества. Во-первых, если только один обычный объект мог занимать данный участок пространства в одно и то же время, то эта среда сосуществовала с другими объектами. Дуги, сформированные железными опилками, не заканчиваются на полюсах магнита, но продолжаются в самом магните и замыкаются, образуя замкнутый контур; силовые линии пронизывают материю и существуют независимо от нее. Поэтому Фарадей и другие ученые представляли себе эту среду как новый тип вещества, как нематериального посредника или континуум силы, похожий на тот, о котором когда-то размышляли Ньютон, Лейбниц, Кант и др. В 1845 г. Фарадей ввел термин, под которым мы знаем эту среду сегодня, — «поле».

Поле окружает нас и проникает в нас, мы плаваем в нем, и оно всегда действует на нас. Мы никогда не видим его непосредственно, но оно дает нам почувствовать свое присутствие, передавая воздействия от одного места к другому. Поле локально в двух смыслах. Во-первых, электромагнит не преодолевает пространство волшебным образом, чтобы притянуть металлическую скрепку для бумаг. На скрепку влияет только состояние поля в том месте, где она находится, подобно тому как водяной клоп может спокойно плавать на поверхности водоема, не обращая внимания на детей, плещущихся в воде у другого берега. Во-вторых, электромагниту требуется время, чтобы проявить свое воздействие. Когда вы в первый раз включаете его, скрепка чувствует силу не мгновенно. Воздействие должно распространиться через поле, пока оно не достигнет скрепки и не заставит ее дернуться к магниту, подобно тому как плескание в воде приводит к распространению по поверхности водоема волн, которые в конце концов захлестывают бедную букашку. Та же самая логика применима к электрическим силам. Если вы потрете воздушный шарик из латекса о рукав и поднесете его к голове, он взъерошит ваши волосы не мгновенно. Скорее он вызывает возмущения в электрическом поле, и эти эффекты распространяются через промежуток между шариком и волосами, в конечном счете изменяя состояние поля на коже головы.

Фарадеевское понятие поля поначалу не смогло завоевать популярность. Скептики требовали формул, а Фарадей, будучи математически неграмотным, не мог им ничего предложить. Но его идеи зацепили молодое поколение знатоков математики, а сильнее всего — шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла, который превратил интуитивные соображения Фарадея в уравнения. Чтобы получить математическое описание поля, Максвелл использовал систему, знакомую любому, кто видел когда-нибудь схему прогноза погоды. На погодной карте показано множество чисел и маленьких стрелок, которые говорят о температуре, скорости ветра, направлении ветра и т.д. в разных местах. По аналогии Максвелл представил электрические и магнитные поля небольшими стрелками, которые указывают силу и направление поля в точках пространства. Сетки чисел говорят, как поле действует на электрически заряженные объекты или магнитную стрелку компаса. Знаменитые уравнения Максвелла предсказывают, как эти величины изменяются с течением времени.

Сегодня можно купить футболки с напечатанными на них уравнениями Максвелла. Они — олицетворение понятия изящной теории, которая является целью всех физиков. В дополнение к магнитным и электрическим полям Вселенная пронизана десятками других взаимопроникающих полей, соответствующих различным силам природы. Вместе с тем, несмотря на успех Максвелла, значение его уравнений было туманным. Действительно ли они соблюдали принцип локальности? Казалось, что да, но внешность может быть обманчива. Хотя Максвелл создал свои уравнения для описания сил, действующих локально, он признавал, что они могли так же хорошо описывать силы, действующие нелокально. При такой интерпретации пространство не заполнялось бы материальной средой; оно было бы в основном пустым, а объекты, рассеянные тут и там, притягивали бы и отталкивали друг друга издалека. Числа, присваиваемые точкам в пространстве, отвечали бы на гипотетические вопросы вроде: если поместить объект в таком-то месте, как все остальные объекты во Вселенной будут действовать на него? Поэтому теория Максвелла вызвала те же самые споры об интерпретации, что и закон тяготения Ньютона за два столетия до того.

Три свойства полей подтверждали, что они действительно существуют. Во-первых, поля живут собственной жизнью. Они не просто посредники, передающие импульсы от одного объекта к другому. Они могут действовать сами, независимо от материи; пространство, абсолютно лишенное частиц, может быть насыщено волновой активностью. Это явление чуждо нелокальному описанию. Во-вторых, электрические и магнитные возмущения требуют времени, чтобы проявить свои воздействия. Задержка кажется странной, если силы перепрыгивают непосредственно от одного объекта к другому, но совершенно естественна, если импульс должен пройти через среду. На самом деле скорость, с которой распространяются эти воздействия, равна скорости света. Очевидно, что свет — это электромагнитная волна. Наконец, поля имеют энергию, а это сама сущность реальных объектов (и довольно новое понятие в физике в то время). Их возможность запасать энергию гарантирует, что никакая энергия не пропадает за то время, которое требуется возмущению, чтобы распространиться в пространстве.

Эти три критерия — волны, задержка, энергия — убедили большинство современников Максвелла в том, что поля дают локальное объяснение электрических и магнитных сил. Общепринятое мнение опять изменилось на противоположное: нелокальность из общепринятой концепции превратилась в «очень старую, но очень пагубную ересь» и во что-то «немыслимое». В историческом масштабе эти высказывания кажутся знакомыми. В данном случае также было поколение физиков, которые делали уверенные заявления, противоречившие уверенным заявлениям физиков предыдущих поколений. На самом деле бравада скрывала некоторую неловкость.

Физиков конца века беспокоило то, что у них было две отдельные теории: электромагнетизм и механика. Огромная трещина проходила через их картину мира, она не только разрушала мечту о простоте, но и делала невозможным решение различных практических проблем. Чтобы определять траекторию бейсбольных мячей и планет, они применяли законы Ньютона. Чтобы создавать генераторы и электромагниты, они применяли уравнения Максвелла. Но что делать в тех случаях, когда есть и движение, и электромагнетизм? Как движущийся объект влияет на электрические и магнитные поля и наоборот?