Красота физики. Постигая устройство природы

Здесь у нас должен быть рисунок! На вклейке DD вы видите волновую картину, связанную с чистым лучом света – спектральным цветом, – исходящим из источника, двигающегося направо со скоростью в 7/10 скорости света. Если вы находитесь справа, то луч приближается к вам и вы воспринимаете его цвет как синий; если же вы слева, то луч удаляется и представляется красным. На этом моментальном снимке источник находится вблизи центра.

Ньютон полагал, что он доказал: каждый спектральный цвет по своей внутренней сути отличается от любого другого и никакая алхимия не может превратить один в другой. Эксперименты Ньютона показали, что свет каждого спектрального цвета сохраняется, несмотря на отражение, преломление или многие другие возможные трансформации.

Но он попал впросак! Если бы Ньютон попытался бежать прочь от своих призм со скоростью десятки тысяч метров в секунду, то он увидел бы свою ошибку. Я, конечно, шучу. Очень часто (и это по-настоящему шокирует) можно встретить популяризаторов и исследователей науки, которые говорят такие вещи всерьез, как будто бы всё, помимо последней Истинной Теории Всего, – это просто какой-то мусор. Эта облегченная версия стиля мышления нетолерантных, тоталитарных идеологий. Та мысль, которую я хочу подчеркнуть, полностью противоположна: как близки к истине были заключения Ньютона и какими полезными они остаются.

И все же как здорово узнать, что в этой истории есть еще одна глава, где мы открываем глубокое единство, что лежит в основе разнообразия проявлений и обеспечивает его. Все цвета – это одно и то же, видимое в разных состояниях движения. Это великолепный поэтический ответ науки на жалобу Китса о том, что наука «разложила радугу на тысячи частей».

Оживляя цвет

Физической сущностью цвета, как и физической сущностью звукового тона, является сигнал, который изменяется во времени.

Изменение света во времени происходит слишком быстро, чтобы наши органы чувств могли следовать за ним. Его частота слишком высока. И поэтому, чтобы извлечь как можно больше из этой трудной ситуации, наша система восприятия обрабатывает информацию и интерпретирует малую ее часть как воспринимаемый цвет.

Тот код, что получается на выходе, несет на себе только слабый след оригинала! Когда мы воспринимаем цвет, мы видим только символ изменения, а не то, что меняется.

Но мы можем восстановить большую часть утраченной информации, а именно – восстановив изменения во времени, изменяя их масштаб так, чтобы человек мог их воспринимать. Через эту преобразующую реконструкцию мы расширим двери восприятия.

Общая теория относительности: локальность, анаморфизм и флюиды в их основе

В специальной теории относительности, как мы уже обсуждали, Эйнштейн возвел галилееву симметрию (инвариантность) до основного принципа – требования, которому должны подчиняться все законы физики. Уравнения Максвелла с самого начала соответствовали этому требованию, а законы движения Ньютона – нет, но Эйнштейн предложил видоизмененную механику, которая ему удовлетворяла. Для тел, которые движутся намного медленнее скорости света, версия Эйнштейна повторяла ответы успешно работающей теории Ньютона.

А вот теорию гравитации Ньютона приспособить к тем же требованиям оказалось гораздо труднее. Она строится вокруг понятия массы, но в специальной теории относительности масса теряет свое тепленькое местечко. В частности, масса не сохраняется. (Если эти понятия вам не знакомы, то прочитайте статьи «Масса» и «Энергия» в разделе «Термины».)

Итак, если вы хотите, чтобы гравитация реагировала на массу, как это делается в теории Ньютона, то вы даете неоднозначные инструкции. Релятивистской теории гравитации потребовались новые основания.

В конце концов Эйнштейн решил эту проблему в своей общей теории относительности, усилив понятие симметрии. Он сделал симметрию – а именно симметрию Галилея – локальной.

Мы сможем лучше понять локальную симметрию, которую мы имеем в общей теории относительности, сравнив ее с глобальной (жесткой) симметрией в специальной теории относительности.

Согласно глобальной галилеевой симметрии или инвариантности, мы можем изменить состояние движения Вселенной, добавив постоянную общую скорость, при этом законы физики не изменятся. Но если мы изменим относительное движение различных частей Вселенной, прикладывая скорости, которые меняются в пространстве или времени, мы должны ожидать изменений в законах физики. Если вы машете магнитом вблизи стрелки компаса, стрелка двигается!

Локальная галилеева симметрия или инвариантность постулирует, что есть намного более широкий класс преобразований, которые оставляют законы физики неизменными. А именно: она гласит, что мы можем выбрать добавленную скорость так, что она будет разной в разное время и в разных местах. Это утверждение должно звучать возмутительно, поскольку только что мы сказали, что как раз оно и не работает!