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

Всего через несколько лет после создания специальной теории относительности Эйнштейн придумал симпатичный мысленный эксперимент, немного похожий на набросок сюжета для фантастического рассказа.

Если поместить живой организм в ящик… можно устроить так, что этот организм после полета произвольной продолжительности вернется в отправную точку и при этом не очень изменится, в то время как такие же организмы, оставшиеся на прежнем месте, с тех пор давно уже успеют дать жизнь новым поколениям. Для двигавшегося организма длительное путешествие прошло бы в одно мгновение — если бы движение происходило со скоростью, близкой к скорости света.

Если пересказать эту историю чуть иначе, получится знаменитый парадокс близнецов. Сюжет примерно таков. Жили-были близняшки Эмили и Бонни. В один прекрасный день Бонни садится в космический корабль — звездолет «Восхитительный» — и направляется на Вулкан со скоростью в 90 % скорости света. Бонни летит туда с простой дипломатической миссией, так что покинуть корабль ей придется всего на несколько минут, а потом она развернется и полетит домой. Да, понимаю, мне тоже кажется, что это пустая трата времени и сил.

Путь до Вулкана — 16 световых лет — занимает у Бонни чуть меньше 18 лет. С учетом обратной дороги триумфальное возвращение на Землю у Бонни происходит примерно через 35 лет, 6 месяцев и 18 дней. Сойдя по трапу, Бонни обнаруживает, что ее друзья и родные соответственным образом постарели. Но вот неожиданность — первая из череды неприятных открытий: Бонни выглядит гораздо моложе своей сестры-близняшки. Она постарела всего лишь на 15 с небольшим лет, и воспоминаний у нее накопилось тоже только на 15 лет. Память бортового компьютера тоже содержит данных всего на 15 лет — и т. д. Похоже, что время на борту «Восхитительного» шло в два с лишним раза медленнее, чем на Земле, а одометр зафиксировал расстояние меньше чем в половину ожидаемого.

Искажение пространства и времени — это очень странно и жутко, однако не сразу понятно, почему речь идет именно о парадоксе близнецов, а не о «жуткой, конечно, истории, но на свете часто случаются жуткие истории, поэтому держись и не ломайся под ударами судьбы» близнецов. В частности, самого Эйнштейна эта коллизия не особенно тревожила — он считал, что это не более чем занятный побочный эффект жизни в релятивистской вселенной.

А теперь я познакомлю вас со второй неприятной неожиданностью. Первый постулат специальной теории относительности — допущение, которое, собственно, и позволило нам додуматься до всех этих жутких результатов — состоял в том, что мы вроде бы не должны понимать, кто движется, а кто неподвижен. Точки зрения двух астронавтов, пролетающих мимо друг друга, идеально симметричны. Каждому из них кажется, будто он неподвижен, а второй летит. Нет никакого объективного способа отличить одну точку зрения от другой.

Однако совершенно очевидно, что Бонни объективно двигалась, а Эмили — нет. По возвращении Бонни оказалась моложе сестры-близнеца. Решение парадокса дается мелким шрифтом. Постулаты Эйнштейна основаны на точке зрения наблюдателей в инерциальной системе отсчета. А мир Бонни не может быть описан в рамках специальной теории относительности, поскольку Бонни пришлось разгоняться и тормозить, а Эмили — нет.

Парадокс близнецов

Физика разгона и торможения — то есть физика ускорения — некоторым образом связана с той черной дырой, которую вскрыла специальная теория относительности: с вопросом о том, как устроена гравитация.

Чтобы восполнить этот пробел и объяснить про ускорение, Эйнштейн разработал общую теорию относительности. Общая теория относительности, как и специальная и более или менее все остальное, построена на симметриях. Но в этом случае роль симметрий так важна, что они стали главным мотивом, побудившим Эмми Нётер отправиться в Геттинген и разработать там теорему, названную в ее честь.

Чтобы понять, откуда взялась общая теория относительности и как она вписывается в сюжет о симметриях в целом, мне хотелось бы уделить несколько минут беседе об одной особенности большинства научно-фантастических фильмов, от которой я просто на стенку лезу.

Предположим, вы хотите снять фильм, действие которого происходит в космосе. Никакой гравитации в глубоком космосе нет, что очевидно: отчасти именно поэтому там так здорово [68] Можно съесть буквально все мороженое из астронавтских запасов и выпить весь растворимый сок и при этом ни грамма не прибавить. . Понятно, что продюсер решит сэкономить и не брать напрокат настоящий звездолет, а вписать в сценарий какой-нибудь «генератор гравитации», чтобы актеры могли спокойно разгуливать по декорациям в павильоне.

Лично мне претит не то, что искусственная гравитация не играет никакой роли в фильме и, в сущности, не нужна, а то, как это делается. Может показаться, будто создать искусственную гравитацию очень сложно или даже невозможно, будто это что-то на уровне гиперпространственного двигателя или нуль-транспортировки, но на самом деле это так просто, что даже Ньютон 300 лет назад вполне мог предложить действующий генератор. С этой задачей прекрасно справился Артур Кларк в «Космической Одиссее‑2001». Боже мой, да даже в «Вавилоне‑5» все правильно показано, а его гоняли по TNT [69] Turner Network Television (TNT) — американский кабельный телеканал, в настоящее время принадлежащий «Time Warner». Специализируется на сериалах и мелодрамах. — Прим. перев. !

Нужно всего-навсего сделать вращающуюся космическую станцию, и ее внешняя сторона станет полом. Если вы хоть раз бывали в парке аттракционов и катались там на «Гравитоне», то понимаете, о чем я говорю. Чем быстрее вращение, тем сильнее искусственная гравитация.

Для частицы естественно двигаться прямолинейно и равномерно. Если корабль вращается и если радиус у него достаточно велик, вы будете ощущать привычную и уютную искусственную гравитацию, поскольку пол под ногами меняет направление, когда вы поворачиваете. Единственный «конструкторский недочет» состоит в том, что если корабль слишком мал, голове достанется значительно меньше «гравитации», чем ногам.

В сущности, и вращать звездолет не обязательно, хватит любого ускорения. Поднимающийся лифт создает небольшую искусственную гравитацию, когда трогается, и небольшую антигравитацию, когда вы прибываете на нужный этаж. Можно сделать очень славный генератор гравитации, если звездолет будет всего-навсего полдороги разгоняться, а вторую половину тормозить. В начале «низом» послужит задняя часть корабля. Осложнения возникнут лишь в середине пути, когда корабль начнет тормозить и вас с командой потянет в сторону передней части, которая станет новым «низом».