Кристофер Прист - Опрокинутый мир

«Ничто так не волнует человечество, как свойства пространства и времени», — прозорливо заметил знаменитый немецкий физик Макс фон Лауэ. Классическая физика полагала эти свойства наперед заданными, вытекающими из простейших аксиом. Более того, пространство считалось областью изучения математики, а не физики. Свыше двухсот лет физики говорили о некоем «абсолютном», истинном математическом пространстве. Ньютон тоже определял время как «абсолютное, истинное и математическое, протекающее само по себе и благодаря своей природе равномерно и без всякой связи с каким-либо предметом, обозначаемое также именем «продолжительность».

О таком определении удачно сказал Блаженный Августин. «Я отлично представляю себе, что такое время, пока не просят пояснить, что это такое, и совершенно перестаю понимать, как только пытаюсь объяснить».

Революция, совершенная Гением Эйнштейна, прежде всего привела к тому, что пространство и время стали полноправными объектами физического исследования и утратили авторитет «априорных форм».

В остроумно современной (последние две строчки) эпиграмме Александра Попа говорится:

Был этот мир глубокой тьмой окутан.

Да будет свет! — И вот явился Ньютон.

Но сатана недолго ждал реванша.

Пришел Эйнштейн, и стало все как раньше.

Эта шутка явилась выражением довольно распространенной мысли. Многим казалось, что отказ от классической механики — это отказ от научного познания материального мира.

В действительности же картина мира в современной физике отличается своей особой внутренней стройностью и даже простотой.

Основная идея Эйнштейна состоит в том, что свойства пространства и времени должны не задаваться наперед, а выводиться из опыта. Они совсем не обязательно всегда и везде одинаковы, а меняются от точки к точке и от момента к моменту.

Одиссея Гельварда Манна может служить наглядной иллюстрацией подобных перемен. Чтобы почувствовать принципиальную новизну подобной игры, нам придется вспомнить основы ньютоновской механики.

Положение тела в пространстве задается системой координат. Оси координат, связанные с телом, по отношению к которому задается движение, дают нам систему отсчета, системы отсчета, где все ускорения тел вызваны только взаимодействиями между телами, называются инерциальными. Ни с чем не взаимодействующее тело движется относительно инерциальной системы прямолинейно и равномерно, «по инерции».

У каждой системы своя степень инерциальности. Взять хотя бы поезд и станционный перрон. Одна система отсчета здесь связана с перроном, другая — с поездом. Раздался свисток, и поезд тронулся. Пассажиры испытали легкий толчок и качнулись в сторону, противоположную движению поезда. Этот толчок (ускорение), очевидно, никак не вызван взаимодействием пассажиров с поездом. Он следствие характера движения поезда. На вокзале же никто толчка не ощутил. Отсюда вывод: система отсчета, связанная с перроном, более инерциальна, чем связанная с поездом. Однако, как считал Ньютон, существует абсолютно инерциальная система (или, точнее, системы) отсчета, которая не связана с конкретными телами.

Но если мы захотим найти отклонения от инерциальности в системе, связанной с перроном, то есть с Землей, это тоже нетрудно сделать. Так, камень, брошенный с большой высоты, из-за вращения Земли несколько отклонится от направления отвеса к востоку. Отвес в данном случае укажет нам направление взаимодействия камня с Землей. Это взаимодействие в ньютоновской механике носит название силы тяжести. Камень отклонился от направления силы тяжести из-за вращения Земли вокруг оси, то есть из-за известной неинерциальности ее движения. Любое взаимодействие между двумя телами выражается в терминах и размерностях силы, которая может быть и отличной по природе от силы тяжести.

Все сказанное здесь в полной мере относится и к поезду Приста, именуемому Городом, который ползет по рельсам в поискан недостижимого оптимума. Поэтому, переходя ко второму закону Ньютона, мы можем сказать, что мерилом силы является ускорение, которое она сообщает телам. Если одна и та же сила одинаково ускоряет разные тела, то этим телам приписывают одинаковую массу. Масса тела не зависит от того, какие силы и в какой момент на него действуют. Это отнюдь не самоочевидная истина. Она вытекает из обобщения опытных данных.

Герои Приста могли бы увидеть различие силы инерции и сил взаимодействия внутри железнодорожного вагона-Города, прикрепив к го стенкам двумя одинаковыми пружинами два чугунных шара — большой и маленький. Если растянуть пружины на одинаковую длину и отпустить, то ускорения шаров будут обратно пропорциональны их массам. Но те же два шара, не прикрепленные к стенкам, при внезапном отправлении или остановке ускорятся совершенно одинаково. В этом главное отличие сил инерции и взаимодействия.

Существует, однако, сила взаимодействия, сообщающая всем без исключения телам, независимо от их массы, совершенно одинаковое ускорение. Это гравитация, сила притяжения сил к Земле.

Впервые это поразительное свойство силы тяжести экспериментально установил Галилей, изучавший падение тел со знаменитой Пизанской башни. Любые другие силы взаимодействия — упругие, электрические, магнитные, сопротивление различных сред движению тел — этим свойством не обладает.

Сходство силы тяготения с силами инерции — независимость сообщаемых ими ускорений от массы тел — это ключ к тому всеобъемлющему обобщению классической механики, которое стало известно под названием общей теории относительности Эйнштейна. Вот куда привел нас отход от школьных формулировок ньютоновых законов. Будь гильдиеры более изобретательны, в Городе-вагоне можно было создать условия, при которых сила инерции и сила тяготения стали бы неотличимы. Если заставить Город двигаться по горизонтальному железнодорожному полотну с постоянным ускорением, то подвешенный к потолку отвес отклонится от направления, которое на «перроне» будет считаться вертикальным. Он, как и все предметы, будет вести себя так, как если бы вагон с постоянной скоростью шел в гору, а сила тяжести представляла собой сумму действительной силы тяжести и силы инерции в поезде, ускоренно движущемся по горизонтальному полотну. В обоих случаях, очевидно, все тела получают совершенно одинаковые ускорения. Поэтому, пользуясь только весами и не зная истинной величины силы притяжения, Виктория [не?] могла бы узнать, что происходит с Городом в действительности: движется ли он равномерно на подъеме или же ускоренно по ровному месту.

Законы природы формулируются одинаковым образом, если относит движение тел к инерциальным системам отсчета. В этом смысл релятивистского принципа Галилея. В специальной теории относительности Эйнштейн распространил этот принцип и на электромагнитные явления. Сходство сил инерции и тяготения в достаточно малой области пространства, вроде нашего вагона, позволило Эйнштейну провести еще одно обобщение. Поэтому, если считать тождественными силы тяжести и инерции, то законы движения одинаково формулируются и в инерциальных, и в неинерциальных системах отсчета. Отсюда начинается уже общая теория относительности, для которой достаточно сходства сил в любом сколь угодно малом объеме.