Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего - Джордж Массер

Фактически общепринятая система взглядов повернулась на 180 градусов. Теперь локальностьначала казаться неприемлемой. Оставим на время гравитацию, электричество и магнетизм — даже казалось бы простое соударение двух бильярдных шаров заставляло людей в смятении расшибать лбы. Почему шары отскакивают друг от друга? Главные сторонники локальности, такие как Демокрит, Декарт и Лейбниц, сами задавались этим вопросом. Когда шары соприкасаются, это все еще два шара или они становятся единым целым? Как воздействие распространяется от места удара до противоположной стороны каждого шара? Действительно ли шары делают мгновенный разворот, который означал бы бесконечно быстрое изменение скорости?

Кант кое-что понимал в бильярде. Главный немецкий философ XVIII в. играл настолько хорошо, что выигрыши помогали ему оплачивать учебу в колледже. Кант был ключевой фигурой, способствовавшей тому, чтобы доньютоновские представления о локальности были преданы забвению. Его занимал в основном анализ того, каким образом мы знаем то, что знаем, или думаем, что знаем. Локальность была примером знакомой идеи, которая при более внимательном рассмотрении оказывается сомнительной. В повседневной жизни мы замечаем, что нам нужно коснуться объекта, чтобы заставить его двигаться. Но на самом деле мы никогда ничего не касаемся. Скорее мы прилагаем к нему силу, а он прилагает силу к нам. Эти силы объясняют то сопротивление, которое мы чувствуем, когда сжимаем мяч или пытаемся просунуть руку сквозь твердую стену. Знакомые нам объекты на самом деле представляют собой по большей части пустое пространство. Когда мы говорим «о материи», речь идет о континууме сил, а не о составляющих ее частицах, которые всегда остаются для нас недоступными.

Изначальная привлекательность локальности была в том, что единственный способ взаимодействия — непосредственный контакт — мог объяснить все. Когда Ньютон добавил второй способ — нелокальные силы, — сначала казалось, что он все усложняет, но Кант и другие объяснили непосредственный контакт и восстановили прежнюю простоту. Если посмотреть на соударение двух бильярдных шаров в замедленном воспроизведении, то вы увидите не резкий отскок, а постепенное изменение направления движения. Когда шары сближаются, они прилагают друг к другу силу отталкивания, которая замедляет их, останавливает и отправляет обратно в том направлении, откуда они прибыли. Фактически шары никогда не вступают в непосредственный контакт. Если раньше философы-механицисты стремились объяснить нелокальные силы локальными взаимодействиями, то теперь они сводили локальные силы к нелокальным взаимодействиям.

Ньютоновское тяготение с трудом получило признание в этом мире, но потом стало новым общепринятым понятием. В 1872 г. австрийский физик и философ Эрнст Мах описал этот поворот событий. Он утверждал, что ученые объясняют явления, связывая незнакомое со знакомым, необычное с общепринятым. «Общепринятое» может в действительности быть не более понятным, чем необычное. Это видно, когда пятилетний ребенок спрашивает, как работает обычный бытовой прибор, а мы мешкаем с ответом. Нам проще принять это. В конце концов, мы должны принять что-тов качестве нижнего уровня действительности, и оно должно быть тем, с чем мы можем жить. Мах писал: «Самые простые факты, к которым мы сводим более сложные, всегда непостижимы сами по себе, т.е. их нельзя понять еще лучше… Люди обычно сводят незаурядные непостижимости к общепринятым».

Но то, что мы считаем «общепринятым», может меняться. До Ньютона это был непосредственный контакт. После него общепринятыми стали считаться нелокальные силы. «Ньютоновская теория тяготения, когда она только появилась, смущала почти всех исследователей физического мира, потому что была основана на незаурядной непостижимости, — писал Мах. — Люди пытались свести тяготение к давлению и столкновениям. В наши дни тяготение больше никого не беспокоит; оно стало общепринятой непостижимостью». Какая ирония: еще до того как Мах написал эти слова, маятник уже качнулся в обратную сторону, и физики снова приходили к идее о том, что Вселенная все-таки должна быть локальной.

Возрождение локальности началось в 1786 г. с мертвых лягушек, свисающих с железных перил. Итальянский врач Луиджи Гальвани проводил эксперименты на мышцах животных, чтобы выяснить, как разряды статического электричества заставляют их сокращаться. Однажды он увидел, что лапки лягушек дергались самостоятельно, даже когда он ничего с ними не делал, и его осенило, что животные ткани не просто реагировали на электричество, но также могли генерировать его. Металл и амфибия образовали то, что мы теперь называем батарейкой, а в 1800 г. другой итальянец, Алессандро Вольта, создал ее работоспособный вариант, заменив лягушку влажным куском картона. Батареи не только дали экспериментаторам новую замечательную игрушку — само их существование потрясло тех, кто придерживался ньютоновского представлений о том, что химические реакции и электричество вызывались различными типами нелокальных флюидов и не должны были превращаться друг в друга.

Это произошло очень вовремя. Размышления Канта о том, что могли постичь наши рациональные умы, привели к восстанию против механистических взглядов в философии, а именно к возникновению движения, известного под названием немецкого романтизма, а под крышей этой общей категории появилась философская школа, известная как натурфилософия. Натурфилософия представляла собой одно из периодических возрождений магического мышления. Ее сторонники были очарованы оккультными личностями эпохи Возрождения и восточной мистикой. Они считали разнообразные силы природы, включая электричество и магнетизм, различными проявлениями органического единства. Приверженцы натурфилософии рассчитывали с помощью экспериментов распознать это единство и использовать его для нужд человека. В их число входили некоторые выдающиеся ученые-экспериментаторы начала XIX в.

Одним из них был датский экспериментатор Ханс Кристиан Эрстед. Он не был врачом подобно многим революционерам от науки, но все же стоял очень близко к этой профессии: он был фармацевтом. Эрстед создал свою первую батарейку практически сразу после того, как услышал об изобретении Вольты, и вскоре успешно создавал их по собственным схемам. В то время экспериментальные данные подтверждали представление Ньютона о том, что электричество и магнетизм никак не связаны. Статическое электричество не создает магнитных эффектов. Но Эрстед предположил, что электрический ток мог бы вызывать таковые. И он был прав. В 1820 г. Эрстед обнаружил, что провод, соединенный с батареей, может заставить находящуюся рядом стрелку компаса поворачиваться. И опять удобный консенсус был нарушен идеями, которые большинство ученых отвергло как ненаучные.

Эрстед показал не только то, что электричество и магнетизм связаны, но и что природа этой связи очень неньютоновская. Электрический ток не отталкивал и не притягивал стрелку компаса, а вращал ее. Это оказалось серьезным испытанием для нелокальных сил. Такие силы должны быть похожи на частные «линии прямой связи» между двумя взаимодействующими объектами, которые действуют так, как если бы остальная часть Вселенной просто не существовала. Логично предположить, что сила должна действовать вдоль прямой линии, соединяющей два объекта, потому что она слепа к другим объектам или местам, которые могли бы определить какое-то другое направление. Дергающаяся стрелка компаса Эрстеда противоречила этому интуитивному представлению. Чтобы вращать стрелку, ток должен оказывать воздействие, направленное не в сторону провода или от него, а по касательной. Следующим признаком наличия локальных, а не нелокальных процессов было то, что вращающаяся стрелка напомнила вихревые движения, которыми Демокрит и Декарт объясняли механизмы магнетизма и тяготения.