Дао физики

До сих пор мы не встретили на пространственно-временных диаграммах ничего необычного. Мы читали их снизу вверх, следуя обычным представлениям о линейном течении времени. Но дело принимает совсем иной оборот при создании диаграмм столкновения фотона с позитроном. Математические формулы теории поля дают возможность двоякой интерпретации такой диаграммы: на ней можно увидеть либо позитроны, движущиеся во времени вперед, либо электроны, движущиеся во времени назад! В математическом отношении эти два варианта идентичны: движение античастицы из прошлого в будущее и наоборот выражается при помощи одного уравнения. Следовательно, мы можем утверждать, что две наши диаграммы на рис. 27 изображают один процесс, протекающий во времени в различных направлениях. На обеих можно увидеть столкновение фотона и электрона, но на первой частицы движутся во времени вперед, а на второй — назад[168]. В релятивистской теории взаимодействия частиц мы обнаруживаем полную симметрию по времени. Для каждого процесса существует аналог, развертывающийся в обратном направлении во времени, в котором частицы заменены античастицами[169].

Рис. 27. Две диаграммы рассеяния

Чтобы понять, как это удивительное свойство мира субатомных частиц влияет на наши представления о пространстве и времени, рассмотрим следующую диаграмму (рис. 28).

Рис. 28. Рассеяние при столкновении фотонов, электронов и позитронов

При традиционном прочтении снизу вверх мы интерпретируем ее так: электрон е^— (изображенный сплошной линией) сближается с фотоном (пунктир); в точке А фотон преобразуется в электронно-позитронную пару, при этом электрон удаляется вправо, а позитрон — влево; затем позитрон сталкивается с другим электроном в точке В, где происходит их взаимная аннигиляция. В результате возникает фотон, движущийся влево. Этот процесс можно рассмотреть и как взаимодействие двух фотонов с одним электроном, дважды изменяющим направление движения во времени: сначала вперед, потом назад, а затем снова вперед. В последнем случае мы руководствуемся указаниями стрелок на линии электрона на всем протяжении его пути. Электрон перемещается в точку В, испускает фотон и начинает двигаться в обратном направлении во времени до точки А; здесь он поглощает исходный фотон и снова движется во времени вперед. Второй вариант гораздо проще первого: в нем мы имеем дело с мировой линией одной частицы. Но при этом мы сталкиваемся с серьезными проблемами языка описания. Электрон перемещается «сначала» в точку В, а «потом» в точку А; но поглощение фотона в точке А предшествует эмиссии другого фотона в точке В.

Этих сложностей можно избежать, если рассматривать пространственно-временные диаграммы не как отображения движения частиц во времени, а как четырехмерные пространственно-временные модели, изображающие ряд взаимосвязанных событий, которые не имеют четко определенной временной последовательности. Поскольку все частицы могут перемещаться во времени вперед и назад, как в пространстве им доступны перемещения вправо и влево, по меньшей мере нелогично интерпретировать эти диаграммы как однонаправленные во времени. Это четырехмерные пространственно-временные картины, к которым неприменимо понятие последовательности во времени. Вот что по этому поводу говорил Луи де Бройль[170].

Всё то, что каждый из нас воспринимает как прошлое, настоящее и будущее, в пространстве-времени оказывается слитым воедино… Каждый наблюдатель сталкивается с различными слоями пространства-времени и видит в них сменяющие друг друга явления материального мира, хотя на самом деле их восприятию наблюдателем предшествует целостность всех явлений, составляющих пространство-время[171].

Именно в этом заключается полное значение понятия «пространство-время» в релятивистской физике. Пространство и время полностью эквивалентны друг другу; вместе они составляют четырехмерный континуум, в котором взаимодействия частиц могут происходить в любых направлениях. Если мы хотим получить картину этого взаимодействия, то должны сделать четырехмерную «моментальную фотографию», отображающую интересующие нас временной промежуток и область пространства. Для правильного понимания релятивистского мира частиц мы должны забыть о «протяженности времени», как говорит Чжуан-цзы. Поэтому пространственно-временные диаграммы квантовой теории поля — полезная аналогия пространственно-временным ощущениям восточных мистиков. Несомненность существования такой аналогии становится еще более очевидной после знакомства с замечаниями Ламы Говинды по поводу медитации в буддизме.