Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Сама идея совмещения умозрительных моделей и проверяющих их физических экспериментов была в то время чем-то совершенно новым и по-настоящему радикальным, ведь столетиями, если не тысячелетиями, считалось, что исследовать Вселенную можно всего лишь с помощью правильных логических рассуждений. Подобные взгляды приводили ко множеству заблуждений, таких, как необходимость подталкивать стрелу в воздухе для продолжения ее полета, или о том, что все тела падают на землю со скоростью, пропорциональной их массе.

Чтобы понять идею опытов Галилея, надо всего лишь вспомнить, как ведут себя окружающие нас предметы под воздействием силы земного притяжения. Выпустите какой-нибудь предмет из рук — и он упадет на пол; при этом в первое мгновение скорость его движения будет равна нулю, но он тут же начнет ускоряться — и будет продолжать ускоряться, пока не упадет на землю. Вот поэтому Галилей и считал, что если он сможет описать падение предмета на землю, то затем будет уже нетрудно распространить это описание и на общий случай равноускоренного или равнозамедленного движения, так часто встречающегося вокруг нас.

Именно первопроходческий труд Галилея и проложил дорогу последующим триумфальным открытиям великого английского физика Исаака Ньютона (1642–1727), создавшего ту самую классическую механику, которую все мы изучали в школе. С именем Ньютона связано и открытие фундаментального физического закона всемирного тяготения (см. рис. 1 цветной вклейки, далее — цв. вкл.). Правда, здесь мы в очередной раз видим, что и великим свойственно заблуждаться, ведь Ньютон считал, что взаимодействие тел имеет характер дальнодействия — мгновенной передачи воздействия тел друг на друга через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия. Однако концепция дальнодействия была признана не соответствующей действительности после открытия и исследования электромагнитного поля, играющего роль посредника при взаимодействии электрически заряженных тел. Возникла новая концепция взаимодействия — концепция близкодействия, которая затем была распространена и на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение — посредством гравитационного поля), которые непрерывно распределены в пространстве.

Тут надо заметить, что в науке позапрошлого века большую роль играли ложные представления о некой всепроникающей среде — эфире. На представления об эфире как переносчике электрических и магнитных взаимодействий опиралась вся физика того времени. Первоначально эфир понимали как механическую среду, подобную упругому телу, в котором распространение световых волн уподоблялось распространению звука в воздухе.

Гипотеза механического эфира соединяла в себе несоединимое и чем-то напоминала мифическое существо — грифона с птичьей головой и туловищем льва. Так, закономерности распространения световых волн требовали от эфира свойств абсолютно твердого тела, намного тверже алмаза, и в то же время эфир не должен был оказывать ни малейшего сопротивления движению небесных тел, иначе это сразу же выявили бы астрономы. В течение долгого времени поколения математиков и физиков пытались придумать правдоподобную модель для загадочного эфира. Но в конце концов, более столетия назад, было твердо установлено, что ложно само понятие этой таинственной субстанции. Сделала это самая знаменитая теория прошлого века — теория относительности. Крах «эфирного мироздания» начался с хрестоматийного сейчас эксперимента по выяснению участия эфира в движении тел. Этот эксперимент был поставлен американскими физиками Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли еще в 1881 году. Тут надо заметить, что вокруг знаменитых опытов Майкельсона и Морли существует целый клубок легенд и заблуждений.

Во-первых, «классически консервативные исследователи» Майкельсон и Морли вовсе не собирались опровергнуть существование мирового эфира, представление о котором в те времена было так же незыблемо, как и закон всемирного тяготения. Американские физики хотели лишь впервые измерить скорость его относительного движения на поверхности Земли — «эфирного ветра». Действительно, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает прямое и попятное движение относительно гипотетического эфира, полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания приборов в одну сторону, а полгода — в другую. Наблюдая в течение целого года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких признаков воздействия эфира. Здесь следует развеять еще одно заблуждение: после своих опытов американские физики вовсе не посчитали, что ими было экспериментально доказано отсутствие эфирного ветра, а, стало быть, и эфира в природе. Наоборот, еще долгое время они подчеркивали, что всего лишь не смогли получить какой-либо результат в пределах погрешности своей установки. Иначе говоря, они просто сочли, что их лабораторная схема слишком груба для исследования «эфирного ветра».

Во-вторых, вопреки расхожему убеждению, эксперимент Майкельсона — Морли вовсе не послужил отправной точкой для создания теории относительности. Дело в том, что ее основному автору, в то время служащему патентного бюро в Берне (Швейцария) Альберту Эйнштейну, исследования американских физиков просто были неизвестны. Это уже впоследствии, после первых впечатляющих успехов новой теории, выяснилось подтверждающее ее значение эксперимента Майкельсона — Морли, а сами они были удостоены всяческих почестей и наград.

В-третьих, правильнее было бы говорить не о каком-либо единственном эксперименте Майкельсона — Морли, а о целой серии опытов, в которых американские исследователи далеко не всегда получали однозначные результаты. Впрочем, и они сами по возможности пытались избегать категорических формулировок, считая, что все их сомнения будут разрешены в будущем на базе более совершенной экспериментальной техники.

Как бы то ни было, но «эфирный кризис» все же был успешно разрешен именно благодаря великому физику двадцатого века Альберту Эйнштейну, который полностью изменил классические представления о пространстве и времени. Эйнштейн предположил, а его учитель и впоследствии соавтор, выдающийся немецкий математик Генрих Минковский (1864–1906), математически показал, что в действительности пространство и время нераздельны. Они как бы образуют единое четырехмерное пространство-время Минковского. Этот физический образ трудно вообразить наглядно, поскольку мы живем в трехмерном мире, описываемом евклидовой геометрией. Образ пространства Минковского удобен в различных теоретических построениях, его очень любят употреблять математики, называя его «многообразием Минковского», и физики-теоретики, среди которых принято говорить о «континууме Минковского». Не обошли его вниманием и писатели-фантасты (…космический флот погрузился в пространство Минковского и совершил внепространственный прыжок…), как правило, к сожалению, совершенно не понимающие смысла данного физического представления.

Теорию относительности принято разделять на две части — специальную теорию относительности (СТО), и общую (ОТО). Первая из них описывает различные релятивистские (от лат. относительный) эффекты при околосветовых скоростях (300 000 км/с). В соответствии со СТО, существует фундаментальная предельная скорость передачи любых взаимодействий и сигналов — скорость света в вакууме. Почему именно скорость света отделяет привычную нам повседневность от таких совершенно фантастических релятивистских явлений, как замедление времени, релятивистское сокращение размеров тел, относительность одновременности и пр.?