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

Один кусочек пазла все же не подходил к остальным: гравитация. Теория относительности в ее оригинальной версии применима только в особом случае нулевой гравитации. В 1915 г. Эйнштейн дополнил картину с помощью своей общей теории относительности, согласно которой сила тяготения возникает благодаря полю, аналогичному электромагнитному. Причина искривления траектории бейсбольного мяча в полете не в том, что Земля действует на мяч с некоторой силой на расстоянии, как предполагала теория Ньютона. Мяч реагирует на поле тяготения в непосредственной близости от него. Когда масса Земли немного смещается (например, когда геологическая активность или течения в океане перераспределяют вещество), поле тяготения немного изменяется. Это возмущение распространяется через поле со скоростью света, и, проходя через бейсбольное поле, оно изменяет поле тяготения в этом месте, так что при следующем броске мяч может падать чуть быстрее или медленнее.

Впрочем, гравитационное поле — это не просто какое-то поле. Оно играет особую роль в природе. Все другие поля действуют избирательно: электромагнитное поле, например, действует только на электрически заряженные объекты, и чем сильнее заряжен объект, тем быстрее он будет ускоряться. Гравитационное поле одинаково действует на все объекты. Все падает вниз с одним и тем же ускорением. Поле, таким образом, определяет путь всех объектов в отсутствие других сил. Но это и есть сама функция пространства. Таким образом, гравитационное поле, по мнению Эйнштейна, не расположено в пространстве, а является свойством пространства. Если структура пространства-времени похожа на ковер, а движущийся объект похож на мраморный шарик, катящийся по ковру, то поле тяготения Земли — это вздутие на ковре, которое отклоняет шарик в сторону.

Так же как неожиданный поворот в романе не меняет историю полностью, но все же может заставить вас пересмотреть свое отношение к более ранним событиям — персонаж, которого вы считали плохим, может на самом деле оказаться хорошим парнем, — так и общая теория относительности побудила физиков заново оценить теорию гравитации Ньютона. Его теория не является строго неправильной — она неполная. Она примерно описывает эффекты гравитации, но не в состоянии объяснить, как распространяется сила тяготения. Теория относительности отвечает на этот вопрос. Она реабилитирует туманные догадки Ньютона и Лейбница о том, что гравитация имеет какое-то отношение к природе пространства.

Эйнштейн разрабатывал теорию относительности, размышляя о том, что именно означает локальность для наших измерений времени и длины. Эта теория содержит положения, которые укрепляют позиции локальности. Прежде всего, она подразумевает, что ничто не может двигаться быстрее, чем свет. Технически теория не запрещает движение со скоростью выше скорости света как таковое. Она только говорит, что свет перемещается с одной и той же скоростью для всех наблюдателей. Однако в большинстве случаев это требование преобразуется в глобальное ограничение скорости. Если бы вы могли догнать свет, то, как размышлял Эйнштейн еще подростком, вам бы показалось, что свет остановился — он бы перестал двигаться относительно вас с той же скоростью, что и относительно всех остальных. Независимо от того, как быстро вы движетесь, как стараетесь, вам его не догнать. Это так же бесполезно, как искать, где кончается радуга.

На практике, если вы пытаетесь разогнать какой-нибудь объект до скорости света, некий надзиратель будто жмет на тормоза, так что приходится прикладывать все больше усилий за каждую прибавку к скорости. Именно поэтому современные ускорители частиц должны быть такими гигантскими. Крошечная разница между 99,9999% скорости света (скорость частиц в старом ускорителе «Тэватрон» в Fermilab [13] Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми, расположенная недалеко от города Чикаго, штат Иллинойс, США. — Прим. пер. ) и 99,999999% (скорость частиц в Большом адронном коллайдере) превращается в десятикратную разницу в энергии. Для того чтобы достичь скорости света, потребовалось бы бесконечное количество энергии.

Глобальный предел скорости исключает бесконечно быстрые нелокальные силы, которые постулировал Ньютон. Больше того, как просвещенный родитель, который не просто придумывает домашние правила, но и обстоятельно объясняет их смысл, теория относительности не просто запрещает движение со сверхсветовой скоростью, но и четко разъясняет, почему это было бы так проблематично.

Прежде всего превышение предела скорости привело бы к нарушению причинно-следственных связей. У разных людей были бы разногласия не только по поводу того, что такое «сейчас», но и по поводу того, что такое «раньше» и «позже». Чтобы понять почему, вернемся в режим операционального мышления Эйнштейна и спросим себя: «Каким образом я узнаю́, в каком порядке происходят события?» Нам необходимо наблюдать эти события, используя свет или какой-то другой «зонд», которому требуется время для прохождения через пространство. Если события происходят настолько быстро друг за другом, что свет не может дойти до нас за промежуток времени между ними, то наблюдения за этими событиями могут противоречить друг другу и у людей возникнут разногласия не только в том, как быстро происходили события, но и в том, что, в сущности, произошло.

Например, вернемся к сценарию с поездом и на этот раз предположим, что мы бросаем мяч со скоростью выше скорости света в сторону поезда, который удаляется от нас. Мяч догоняет поезд, пробивает дыру в последнем вагоне, летит через весь поезд и вылетает из его передней части. По крайней мере, так будет казаться вам. Пассажир в поезде, возможно, увидит что-то иное. Свету требуется время, чтобы достичь глаз пассажира от места резкого вторжения мяча и от места его вылета, а тем временем поезд продолжает двигаться вперед, так что свет, идущий от последнего вагона поезда, должен преодолеть бо́льшую дистанцию, чем свет от передней части поезда. Следовательно, пассажир мог увидеть, как мяч пробивает стенку первого вагона прежде, чем он пробьет стенку заднего. Фактически, вся последовательность событий была бы инвертирована: мяч летит назад, из последнего вагона поезда прямо к вам в руки, готовые его поймать. Даже если пассажир осознает, что не все то правда, что кажется ею, и учитывает, что свету нужно время для распространения, он думает, что события происходят в обратном порядке. И так как точка зрения пассажира абсолютно равнозначна вашей собственной, вы оба правы. Когда объекты перемещаются быстрее света, порядок событий объективно неоднозначен.