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

•

Фарадеевское понятие поля поначалу не смогло завоевать популярность. Скептики требовали формул, а Фарадей, будучи математически неграмотным, не мог им ничего предложить. Но его идеи зацепили молодое поколение знатоков математики, а сильнее всего — шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла, который превратил интуитивные соображения Фарадея в уравнения. Чтобы получить математическое описание поля, Максвелл использовал систему, знакомую любому, кто видел когда-нибудь схему прогноза погоды. На погодной карте показано множество чисел и маленьких стрелок, которые говорят о температуре, скорости ветра, направлении ветра и т.д. в разных местах. По аналогии Максвелл представил электрические и магнитные поля небольшими стрелками, которые указывают силу и направление поля в точках пространства. Сетки чисел говорят, как поле действует на электрически заряженные объекты или магнитную стрелку компаса. Знаменитые уравнения Максвелла предсказывают, как эти величины изменяются с течением времени.

Сегодня можно купить футболки с напечатанными на них уравнениями Максвелла. Они — олицетворение понятия изящной теории, которая является целью всех физиков. В дополнение к магнитным и электрическим полям Вселенная пронизана десятками других взаимопроникающих полей, соответствующих различным силам природы. Вместе с тем, несмотря на успех Максвелла, значение его уравнений было туманным. Действительно ли они соблюдали принцип локальности? Казалось, что да, но внешность может быть обманчива. Хотя Максвелл создал свои уравнения для описания сил, действующих локально, он признавал, что они могли так же хорошо описывать силы, действующие нелокально. При такой интерпретации пространство не заполнялось бы материальной средой; оно было бы в основном пустым, а объекты, рассеянные тут и там, притягивали бы и отталкивали друг друга издалека. Числа, присваиваемые точкам в пространстве, отвечали бы на гипотетические вопросы вроде: если поместить объект в таком-то месте, как все остальные объекты во Вселенной будут действовать на него? Поэтому теория Максвелла вызвала те же самые споры об интерпретации, что и закон тяготения Ньютона за два столетия до того.

Три свойства полей подтверждали, что они действительно существуют. Во-первых, поля живут собственной жизнью. Они не просто посредники, передающие импульсы от одного объекта к другому. Они могут действовать сами, независимо от материи; пространство, абсолютно лишенное частиц, может быть насыщено волновой активностью. Это явление чуждо нелокальному описанию. Во-вторых, электрические и магнитные возмущения требуют времени, чтобы проявить свои воздействия. Задержка кажется странной, если силы перепрыгивают непосредственно от одного объекта к другому, но совершенно естественна, если импульс должен пройти через среду. На самом деле скорость, с которой распространяются эти воздействия, равна скорости света. Очевидно, что свет — это электромагнитная волна. Наконец, поля имеют энергию, а это сама сущность реальных объектов (и довольно новое понятие в физике в то время). Их возможность запасать энергию гарантирует, что никакая энергия не пропадает за то время, которое требуется возмущению, чтобы распространиться в пространстве.

Эти три критерия — волны, задержка, энергия — убедили большинство современников Максвеллав том, что поля дают локальное объяснение электрических и магнитных сил. Общепринятое мнение опять изменилось на противоположное: нелокальность из общепринятой концепции превратилась в «очень старую, но очень пагубную ересь» и во что-то «немыслимое». В историческом масштабе эти высказывания кажутся знакомыми. В данном случае также было поколение физиков, которые делали уверенные заявления, противоречившие уверенным заявлениям физиков предыдущих поколений. На самом деле бравада скрывала некоторую неловкость.

Физиков конца века беспокоило то, что у них было две отдельные теории: электромагнетизм и механика. Огромная трещина проходила через их картину мира, она не только разрушала мечту о простоте, но и делала невозможным решение различных практических проблем. Чтобы определять траекторию бейсбольных мячей и планет, они применяли законы Ньютона. Чтобы создавать генераторы и электромагниты, они применяли уравнения Максвелла. Но что делать в тех случаях, когда есть и движение, и электромагнетизм? Как движущийся объект влияет на электрические и магнитные поля и наоборот?

Эти две теории казались совершенно несовместимыми. Для одного из центральных аспектов законов Ньютона, тяготения, не было места в теории Максвелла. Если электрические и магнитные силы могут притягивать или отталкивать, то сила тяжести всегда притягивает. Кроме того, поле тяготения не удовлетворяло ни одному из критериев, свидетельствовавших о реальном существовании электрических и магнитных полей. Например, наблюдатели не видели никаких признаков того, что гравитации требовалось время на распространение. Согласно влиятельной (хотя в ретроспективе неправильной) оценке, сила тяготения проносится через пространство мгновенно. В начале века сила тяготения была моделью для других сил; к его концу она стала приводящим в замешательство исключением.

Еще более фундаментальная проблема состояла в том, что уравнения Максвелла выделяли одну скорость как особенную, а именно скорость света, хотя законы Ньютона не предполагают такого понятия, как абсолютная скорость чего-либо. В его законах скорость всегда относительна. Относительно человека, бросающего бейсбольный мяч, этот мяч может лететь со скоростью 30 км/ч; относительно того, кто смотрит на это из движущегося поезда, — 160 км/ч; относительно астронавта на космической станции — 27 000 км/ч. Если вместо того, чтобы бросить мяч, человек включает фонарь, насколько быстро световые волны перемещаются относительно этих же наблюдателей? Годы спустя один физик вспоминал, как читал об электромагнетизме в 16 лет и размышлял: «Если двигаться со скоростью света, будет ли казаться, что волны остановились?» Одни теоретики думали, что да, другие, что нет. Эксперименты были так же противоречивы.

Одним из теоретиков, ломавших голову над несовместимостью механики и электромагнетизма, был голландец Хендрик Лоренц. Его дочь Гертруда, которая впоследствии сама стала уважаемым физиком, вспоминала, как они с братом и сестрой в шутку называли отца белым медведем из-за того, что он ритмично ходил взад и вперед в своем подвальном кабинете, как медведь в клетке. Во время этих медвежьих прогулок он придумал, как согласовать механику с электромагнетизмом. По его мнению, электромагнетизм был более глубокой теорией из двух. Она могла объяснить законы движения Ньютона и, возможно, даже тяготение. В подходе Лоренца появилось такое понятие, как абсолютная скорость тел, обусловленная электромагнитной средой. Если двигаться со скоростью, равной собственной скорости волн, то они будут казаться неподвижными.