Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Отец Альберта Эйнштейна строил электростанции в Италии. Когда Альберт был ребенком, уравнениям Максвелла было всего несколько десятков лет от роду, но Италия уже входила в эпоху промышленной революции, и турбины с трансформаторами, которые строил отец Эйнштейна, основывались на этих уравнениях. Мощь новой физики была очевидна для всех.

Альберт был бунтарем. Родители оставили его в Германии для завершения школьного образования, однако он считал немецкую школьную систему слишком жесткой и военизированной; он не смог смириться со школьными порядками и бросил учебу. Вернувшись к родителям в Италию, в Павию, он проводил время в безделье. Затем он отправился учиться в Швейцарию, но не смог сразу поступить в Цюрихский политехникум, куда стремился. После университета он не смог получить исследовательскую позицию и, чтобы заработать на жизнь себе и своей гражданской жене, нанялся на работу в патентный офис в Берне.

Это было не самое завидное место для дипломированного физика, однако оно обеспечило Альберту время для размышлений и независимой работы. И он размышлял и работал. В конце концов, именно этим он занимался с самой ранней юности: вместо того чтобы учиться в школе, он читал «Начала» Евклида и «Критику чистого разума» Канта. Ведь невозможно попасть в новые места, следуя проложенным трассам.

В возрасте 25 лет Эйнштейн отправляет в Annalen der Physik три статьи. Каждая из них была как минимум достойна Нобелевской премии и даже большего. И каждая стала опорой для нашего понимания мира. Я уже рассказывал о первой из этих статей, в которой молодой Альберт вычислил размеры атомов и доказал спустя 23 столетия, что идеи Демокрита были верны – материя зерниста.

Вторая статья принесла Эйнштейну наибольшую славу – именно в ней он представил свою теорию относительности. Именно теории относительности и посвящена эта глава.

На самом деле существует две теории относительности. Конверт, отправленный в редакцию двадцатипятилетним Эйнштейном, содержал изложение первой из них – теории, которую сегодня мы называем специальной теорией относительности. Она дает важное уточнение структуры пространства и времени, которое я проиллюстрирую здесь, прежде чем переходить к другой, более важной, теории Эйнштейна – общей теории относительности.

Специальная теория относительности – это тонкая и концептуально сложная теория. Ее труднее усвоить, чем общую теорию относительности. Читателю не следует пугаться, если следующие несколько страниц покажутся ему не очень простыми для понимания. Эта теория впервые показывает, что в ньютоновской картине мира не просто чего-то не хватает, но она должна быть радикально изменена, причем таким образом, что станет полностью противоречить здравому смыслу. Это первый реальный шаг к пересмотру наших самых глубоких интуитивных представлений о мире.

Расширенное настоящее

Теории Ньютона и Максвелла противоречат друг другу в одном тонком моменте. Из уравнений Максвелла выводится величина скорости – скорости света. Однако ньютоновская механика несовместима с существованием фундаментальной скорости, поскольку в уравнения Ньютона входит ускорение, а не скорость. В ньютоновской физике скорость может быть только скоростью чего-то относительно чего-то другого. Галилей подчеркивал тот факт, что Земля движется относительно Солнца, даже если мы не воспринимаем это движение, поскольку то, что мы обычно называем скоростью, – это скорость относительно Земли. Именно это мы имеем в виду, говоря, что скорость – это относительная величина, то есть скорость объекта самого по себе не имеет смысла, единственная скорость, которая существует, – это скорость одного объекта относительно другого. Это то, что изучали студенты-физики в XIX веке, и то, что они изучают сегодня. Но если это так, то относительно чего определена скорость света, выводимая из уравнений Максвелла?

Одна из возможностей разрешения этого спорного вопроса состоит в том, что существует некая универсальная среда, по отношению к которой свет и движется со своей скоростью. Однако положения теории Максвелла выглядят независимыми от этой среды. Все экспериментальные попытки измерить скорость Земли по отношению к этой гипотетической среде, предпринимавшиеся в конце XIX века, закончились неудачей.

Эйнштейн утверждал, что на верный путь его навели не эксперименты, а только видимые противоречия между уравнениями Максвелла и механикой Ньютона. Он задался вопросом: можно ли каким-то образом совместить ключевые открытия Ньютона и Галилея с теорией Максвелла?

Занимаясь этим, Эйнштейн пришел к удивительному открытию. Чтобы понять его, подумайте обо всех прошлых, настоящих и будущих событиях (по отношению к тому моменту, когда вы читаете этот текст) и представьте их изображенными как на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Пространство и время до Эйнштейна