Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

Все законы природы должны быть обусловлены таким образом, чтобы они были ковариантны относительно преобразования Лоренца.

Лоренц и Фитцджеральд вывели формулы, однако задачей Эйнштейна стало выявить скрытую симметрию вселенной и в конечном итоге объяснить, что означают эти формулы. Конечно, открыть их было гораздо легче, раз он знал, что они должны быть инвариантами Лоренца.

Теория относительности зиждется на симметрии, однако симметрия эта неочевидная — она предполагает относительное движение наблюдателей. В процессе выясняется, что пространство и время не так независимы и не так незыблемы, как нам, вероятно, казалось. Но если бы я заранее спросил вас, в чем суть теории относительности, вряд ли вам пришли бы в голову замедление часов и растяжение линейки. Скорее всего, вы думали о другом: какое это все имеет отношение к E = mc 2 ?

Эмми Нётер преподала нам важные уроки о природе симметрии и законах сохранения. В частности, она показала, что время тесно связано с энергией, а пространство — с импульсом. Может быть, вы даже склонны представлять это себе в виде соотношения-пропорции из школьных задачек:

Импульс: Энергия как Пространство: Время.

Мы только что убедились, что течение пространства и времени зависит от вашей точки зрения. Движущиеся наблюдатели измерят их не так, как находящиеся в покое. Однако у времени есть одна особенность. В любой системе отсчета, какую ни возьми, время должно идти. Нельзя заставить время полностью остановиться, даже если двигаться очень быстро.

С другой стороны, раз Супермен умеет летать «быстрее пули», если он разовьет в точности такую же скорость, как пуля, ему может показаться, что пуля вообще не движется в пространстве. То есть Супермен может сделать так, что импульс полностью исчезнет, если просто изменит точку зрения.

Вот мы и подошли к главному. Энергия похожа не на пространство, а на время. Какой бы ни была точка зрения, нельзя полностью остановить ход моих часов — и подобным же образом, сколько ни вглядывайся в частицу, не сделаешь так, чтобы энергия полностью исчезла. Никакими вычислениями мы тут заниматься точно не будем, однако намек понятен. Сколько ни замедляй частицу, у нее все равно колоссальный объем энергии, равный E = mc 2 .

Я сделал вид, будто в нескольких предложениях «вывел» великое уравнение Эйнштейна, и вы, наверное, подумали, что я поторопил события, однако шаг от открытия относительности в поведении пространства и времени к эквивалентности массы и энергии на диво короток. Статью об относительности Эйнштейн написал в июне 1905 года, а следующую, где выводил E = mc 2 , — уже в сентябре того же года.

Эйнштейн подошел к проблеме несколько иначе, чем я со своими магическими пассами, однако выкладки оказались почти такими же короткими — всего на три страницы. Эйнштейн представил себе покоящийся атом, который внезапно испускает две порции света равной интенсивности в противоположные стороны. Фотоны здесь не упоминаются: их открыл сам же Эйнштейн совсем недавно, в марте, и поэтому решил не опираться на них в своих выкладках.

Фотоны и теория относительности

В сущности, свет — это чистая энергия и импульс, связанные очень просто, через с . Это было известно уже давным-давно, полвека. С точки зрения атома, в обе стороны направлены одинаковые импульсы, поэтому скорость атома не меняется. Ньютон и Галилей подарили нам закон сохранения импульса, а это значит, что если сначала атом был неподвижен, в конце концов, после испускания света, он тоже будет неподвижен.

Пока что никаких особых противоречий — но тут Эйнштейн поднимает ставки: он представляет себе, как бы все это выглядело, если бы вы пролетали мимо экспериментальной установки. Если бы вы полетели лоб в лоб фотону, вам бы не показалось, что он летит быстрее скорости света: это мы уже установили. Зато покажется, что этот фотон несколько энергичнее (синее), чем в неподвижной системе отсчета. Подобным же образом другой фотон обладал бы несколько меньшей энергии (был бы краснее). Это называется эффект Доплера, и он известен с середины XIX века.

Тут-то и зарыта собака. Выполнив вычисления, Эйнштейн обнаружил, что ответ не сходится. Импульс должен сохраниться, однако с точки зрения движущегося наблюдателя летящий вперед протон несет больше импульса, чем летящий назад. Откуда взялся лишний импульс? Единственный подозреваемый — сам атом, и единственный способ для атома потерять импульс, не замедлившись, — это каким-то образом утратить массу, в точности равную величине, которую мы получаем из формулы E = mc 2.

Бабах!

Помните ансибль из повести Урсулы Ле Гуин — устройство, способное налаживать мгновенную связь через межзвездное пространство? Подобные устройства появляются повсюду — от «Игры Эндера» до трилогии «Темные Начала». А еще ансибли то и дело упоминаются в огромном количестве псевдонаучных сочинений. Их авторы пытаются представить себе какие-то дрессированные запутанные частицы, которые передают сигналы мгновенно, только ничего у них не выходит. Как мы вскоре увидим, квантовая механика лишь подтверждает, что скорость света конечна.

В самом начале главы мы задались вопросом, почему такие устройства невозможны, и теперь я хочу и могу дать на этот вопрос более убедительный ответ, чем «Потому что я так сказал».

Волшебство относительности состоит в том, что пространство и время переплетены друг с другом. Из этого следует не только то, что время — не абсолют, но и то, что вообще нельзя говорить, что два события произошли «одновременно». Чтобы разобраться, почему, давайте представим себе, что у меня в гараже стоит действующий ансибль. Я звоню своему приятелю Солкару на Вулкан, и он мгновенно принимает мой звонок. Расстояние от причины до следствия составляет 16 световых лет в пространстве и ноль во времени.

Мы уже видели, что с точки зрения движущихся наблюдателей расстояния меняются, однако сочетание пространства и времени должно оставаться одинаковым для всех. Это означает, что время между передачей и приемом объективно не может быть равно нулю.

Пространственно-временная схема ансибля

Например, с точки зрения звездолета, который летит с Вулкана на Землю, Солкар получит мое послание после того, как я его отправил, в точности как следует ожидать. Облечем происходящее в числа — и получим, что если корабль летит со скоростью в половину скорости света, задержка сигнала составит девять лет. Ничего себе мгновенно!