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

В самом начале своей карьеры Эйнштейн не придавал особого значения локальности. Он был ньютонианцем. В первых научных статьях он предполагал, что частицы действовали друг на друга на расстоянии. Если законы Ньютона противоречат уравнениям Максвелла, тем хуже для Максвелла. В частности, если законы Ньютона утверждают, что все скорости относительны, то и скорость света должна быть относительной, о чем бы ни говорили уравнения Максвелла. Поэтому Эйнштейн подправил эти уравнения, чтобы сделать скорость света зависимой от скорости его источника, создав новую версию теории электромагнетизма, которая была нелокальной. Именно тогда он изменил свое мнение. Пересмотренная теория внесла такие серьезные изменения в оригинальную версию теории Максвелла, что эксперименты ее исключили. Больше того, она предсказывала, что одни люди должны были видеть, что электромагнетизм подчиняется уравнениям Максвелла в их оригинальной форме, а другие — видеть искаженную версию — такая перспектива оскорбляла эгалитарные чувства Эйнштейна.

В момент прозрения Эйнштейн понял, что скорости могут быть относительными,а свет в то же время может устанавливать абсолютную планку скорости. В этом нет никакого противоречия, как думали все остальные. Нужно только быть аккуратными, говоря об относительной скорости. Обычное правило, воплощенное в законах Ньютона, состоит в том, что относительная скорость вычисляется путем складывания или вычитания: бейсбольный мяч, летящий со скоростью 30 км/ч навстречу поезду, двигающемуся со скоростью 130 км/ч, перемещается со скоростью 160 км/ч относительно пассажира поезда. Все же это правило содержит негласное и ничем не подкрепленное предположение о мгновенной передаче информации или, что эквивалентно, о нелокальности.

Эйнштейн осознал это, когда размышлял о том, что на самом деле подразумевает сравнение скоростей. Он использовал — в действительности впервые — один из самых любимых у современных физиков стилей рассуждения, «операциональное» мышление, которое заключается в том, что вы спрашиваете , откуда вам известно то, что известно. Часто обнаруживается, что существующие убеждения необоснованны и даже неверны. Между прочим, этот стиль может пригодиться в любом споре. Чтобы поднять уровень политического спора, спросите, как происходит что-то. Например, если кто-то поддерживает или выступает против государственного финансирования системы здравоохранения, спросите, как вообще устроено медицинское страхование. Те, кто очень уверен в своем мнении, увидят собственное невежество или по крайней мере признают, что вопрос не так уж прост.

В случае относительных скоростей Эйнштейн заметил, что для измерения скорости мяча тому, кто его бросает, и пассажиру поезда необходим секундомер. И они не могут заведомо считать, что их часы идут одинаково. Это нужно установить, сравнивая показания часов, а для этого необходимо обменяться какими-то сигналами. Если сигнал передается между ними мгновенно, то они могут подтвердить, что час для одного человека — это то же самое, что час для другого. Но если передача сигнала занимает время, они не могут быть уверены в этом, поскольку их положение изменится, пока сигнал будет в пути, что создаст задержку. Также они не могут знать, что километр для одного из них равен километру для другого. Подразумевается, что измерение длины проводится в один и тот же момент, т.е. сигнал может мгновенно переместиться от одного конца объекта к другому. Если наблюдателям доступны только сигналы, передающиеся с ограниченной скоростью, измерение может быть ошибочным из-за того, что они или объект измерения движется.

Эйнштейн нашел альтернативу ньютоновскому правилу сложения скоростей, которая учитывает время передачи сигнала, тем не менее гарантируя, что с точки зрения того, кто бросает мяч, и с точки зрения пассажира поезда это выглядит совершенно эквивалентно. Согласно его правилу, относительная скорость меньше , чем простая сумма. Для пассажира мяч летит со скоростью чуть-чуть меньше, чем 160 км/ч. Чем быстрее летит мяч, тем больше его относительная скорость отличается от предсказаний законов Ньютона. Если же вместо того, чтобы бросать мяч, посветить фонариком, что так интересовало теоретиков XIX в., то световые волны будут перемещаться со скоростью 1080 млн км/ч относительно того, кто светит, и со скоростью 1080 млн км/ч относительно пассажира поезда. Собственное движение пассажира перестает иметь значение. Таким образом свет перемещается со скоростью, которая одинакова для всех наблюдателей даже при том, что их собственные скорости всегда относительны.

Пересмотренная Эйнштейном версия понятия относительной скорости объясняла все эксперименты, которые озадачивали его современников. Несоответствия исчезали — не было никакой причины подозревать, что природа злонамеренно мешала экспериментаторам. Эти успехи привели к тому, что он уже не был готов мириться с нелокальностью.

Поддержав идею относительности всех скоростей, Эйнштейн устранил основное противоречие между законами движения и электромагнетизмом. Это произвело впечатление даже на тех преподавателей, которых он раздражал как студент, и один из них указал на некоторые следствия, упущенные нахальным молодым гением. Поправки в такие фундаментальные понятия, как скорость, решают не одну проблему, а делают гораздо больше. Скорость определена в пространстве и во времени, поэтому новая интерпретация Эйнштейна изменила и то, что физики подразумевают под этими понятиями. Поскольку люди, перемещающиеся с разными скоростями, не могут обеспечить синхронизацию часов, временные интервалы зависят от их скорости, так же как и расстояния в пространстве, по похожим причинам. Но комбинация временного интервала и расстояния в пространстве — расстояние в пространстве-времени — не зависит от скорости; это объективный факт, насчет которого ни у кого нет разногласий. Именно так теория относительности Эйнштейна привела к объединению пространства и времени в единое понятие, пространство-время. Для сегодняшних физиков это объединение — истинное значение теории, а морока с поездами и сигналами была только одним из способов сделать это открытие.

Мы все еще воспринимаем пространство-время как пространство и время, но ни один человек не обладает исключительным правом разделять пространство-время на «пространство» и «время». То, что является чисто пространственным для одного наблюдателя, является комбинацией пространственного и временного для другого. Для пассажира поезда газета на коленях находится «здесь» (чисто пространственное обозначение), но для наблюдателя за пределами поезда газета — это движущийся объект (комбинация пространственного и временного). У этих двух людей также разные взгляды на понятие «сейчас» и разные мнения по поводу того, какие события происходят одновременно. Слово «одновременно» — это чушь с точки зрения теории относительности: объективно такой вещи не существует.