Брайан Грин - Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности

Склонному к математике читателю будет интересно узнать — Эйнштейн считал, что пространство-время не существует отдельно от своей метрики (метрика — математическое понятие, дающее меру расстояния в пространстве-времени), поэтому, если удалить всё, включая метрику, то пространство-время уже не будет представлять собой нечто. Под «пространством-временем» я всегда имел в виду многообразие вместе с метрикой, являющейся решением уравнений Эйнштейна, следовательно, мы приходим к выводу, который на математическом языке звучит так: метрическое пространство-время есть нечто.

Jammer M. Concepts of Space. P. xvii.

Точнее говоря, таково средневековое представление, корни которого восходят к Аристотелю.

Как мы обсудим позже, встречаются ситуации (такие как Большой взрыв и чёрные дыры), в которых остаётся много тайн, по крайней мере в отношении экстремально малых расстояний и огромных плотностей, когда перестаёт быть справедливой даже более изощрённая теория Эйнштейна. Так что приведённое здесь утверждение относится ко всем ситуациям, кроме экстремальных, в которых перестают работать известные законы физики.

Один из первых читателей этого текста неожиданно оказался сведущ в колдовстве и сообщил мне, что то, что путешествует через пространство и исполняет желания колдуна, называется «духом». Так что мой пример с колдовством, возможно, неудачен. Тем не менее идея ясна.

Во избежание путаницы я ещё раз подчеркну, что утверждения типа «Вселенная не является локальной» или «Нечто, происходящее здесь, может быть переплетено с чем-то там» не подразумевают возможность мгновенно управлять чем-то удалённым. Как будет ясно из дальнейшего, эффект, на который я ссылаюсь, проявляется в качестве корреляции между событиями — обычно в форме корреляций между результатами измерений, — происходящими в отдалённых друг от друга местах (таких что даже свет не успел бы преодолеть расстояние между ними). Таким образом, я имею в виду то, что физики называют нелокальными корреляциями . На первый взгляд может показаться, что в таких корреляциях нет ничего удивительного. Если кто-то посылает вам посылку с одной перчаткой, а другую перчатку из той же пары посылает вашему другу за тысячи миль от вас, то будет корреляция между тем, что каждый из вас увидит, открыв свою посылку: если вы увидите перчатку на левую руку, то ваш друг увидит перчатку на правую руку, и наоборот. И, понятно, в этих корреляциях нет ничего загадочного. Но, как увидим мы в дальнейшем, корреляции квантового мира носят совсем другой характер. Это как если бы вы имели пару «квантовых перчаток», в которой каждая перчатка может быть левой или правой, и каждая раскрывает свою «ориентацию» только в момент надлежащего наблюдения или измерения. И странность здесь в том, что хотя каждая перчатка может совершенно случайно стать правой или левой, но перчатки всегда оказываются парными, даже если они далеко разнесены: если одна оказывается левой, то другая — правой, и наоборот.

Предсказания квантовой механики потрясающе точно согласуются с экспериментальными наблюдениями. С этим согласны все. Тем не менее, поскольку понятия квантовой механики весьма непривычны для нашего повседневного опыта, и отчасти из-за этого имеются различные математические формулировки теории (и различные представления о том, как теория преодолевает разрыв между явлениями микромира и измеряемыми в макромире величинами), то нет согласия в том, как интерпретировать различные особенности теории (и загадочные результаты экспериментов, которые теория тем не менее может объяснить математически), включая вопросы нелокальности. В данной главе я принял ту точку зрения, которую посчитал самой убедительной, основываясь на современных теоретических представлениях и экспериментальных результатах. Но я подчёркиваю, что не все соглашаются с этой точкой зрения, и в дальнейшем, разъяснив свои взгляды, я коротко отмечу некоторые другие точки зрения и укажу, где можно подробнее прочесть о них. Я также хочу особо подчеркнуть, что упомянутые эксперименты противоречат вере Эйнштейна в то, что их результаты могут быть объяснены исключительно на основе представления о том, что частицы всегда имеют определённые, хотя и скрытые, характеристики, не привлекая при этом идею нелокальной связи . Однако несостоятельность этой веры приводит к отказу только от представления о локальной Вселенной; при этом не отбрасывается возможность того, что частицы имеют определённые скрытые характеристики.

Для математически подкованного читателя следует отметить один аспект, который может ввести в заблуждение. Для многочастичных систем волна вероятности (обычно называемая волновой функцией) имеет по сути ту же интерпретацию (как только что описанную), но определяется как функция на конфигурационном пространстве всех частиц (для одной частицы конфигурационное пространство изоморфно реальному пространству, но для системы N частиц оно имеет 3 N измерений). Важно не забывать об этом, размышляя над тем, является ли волновая функция реальной физической сущностью или просто математическим приёмом, — ведь если занять первую позицию, то потребуется принять реальность и конфигурационного пространства — интересная вариация на темы глав 2 и 3. Поля в релятивистской квантовой теории поля можно определить в обычном четырёхмерном пространстве-времени, хотя имеются и не так широко используемые формулировки, в которых вводятся обобщённые волновые функции — так называемые волновые функционалы, определяемые на ещё более абстрактном пространстве, пространстве полей .

Я имею в виду эксперименты по фотоэлектрическому эффекту, в которых свет, направленный на кусок металла, выбивает электроны с его поверхности. Экспериментаторы обнаружили, что чем выше интенсивность света, тем больше испускается электронов. Более того, эксперименты показали, что энергия каждого испущенного электрона определяется цветом (т. е. частотой) света. Эйнштейн указал, что это легко понять, если представить себе луч света состоящим из частиц, и тогда бо́льшая интенсивность света означает большее количество частиц света (фотонов) в луче — а чем больше фотонов, тем с большим числом электронов они столкнутся и выбьют с поверхности металла. Далее, частота света определяет энергию каждого фотона и, значит, и энергию каждого испущенного электрона, что находится в точном соответствии с экспериментальными данными. Корпускулярные свойства фотонов были окончательно подтверждены в 1923 г. Артуром Комптоном в экспериментах по упругому рассеянию фотонов на электронах.