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

У Лоренца был готовый ответ на результаты эксперимента, которые предполагали, что все иначе: физиков вводила в заблуждение схема эксперимента. Чтобы измерить скорость, им требовалась линейка, и приходилось надеяться на то, что эта линейка окажется надежным стандартом длины. Эта надежда была неуместна. По рассуждениям Лоренца, когда линейка находится в движении, электромагнитное поле сопротивляется этому движению, сжимая линейку в продольном направлении, так же как аэродинамическое сопротивление заставляет падающую дождевую каплю сплющиваться. Этот эффект сбивает все измерения и заставляет экспериментаторов ошибочно считать, что скорость света относительно измерительного прибора никогда не меняется. В общем, хотя и истинная, абсолютная скорость существует, электромагнетизм мешает нашим попыткам ее измерить.

Чисто практически теория Лоренца была огромным успехом, и в 1902 г. благодаря ей он получил незадолго до того учрежденную награду — Нобелевскую премию. Но такие шутки природы с экспериментаторами казались слишком уж коварными. К тому же эта теория сама создавала новые проблемы. Физики и философы тысячелетиями метались между дискретными частицами и непрерывной средой, а Лоренц объединил в своей теории и то и другое, что имело неприятные последствия. Например, электрическое поле должно было передавать воздействия не только каждой заряженной частицы на все остальные, но также и воздействия каждой частицы на самое себя. Этот цикл взаимодействия частиц самих с собой приводил к парадоксам. Частица должна была начать ускоряться прежде, чем к ней прикладывали силу, словно ясновидящая. Способность частицы немного заглядывать в собственное будущее можно было бы использовать для бесконечно быстрой отправки сообщений из одного места в другое.

Мало того, теория предсказывала, что частицы должны взрываться под давлением их собственного накопленного электрического поля. Чтобы объяснить, почему частицы во Вселенной не взрываются как петарды, физики решили, что они должны быть геометрическими точками нулевого размера. Что-то настолько несущественное не могло бы взорваться. Но, как заметил Зенон за две тысячи лет до этого, точка — парадоксальная вещь. Всегда, когда в физике появляется ноль, бесконечность не заставляет себя ждать. Если электрическое поле фокусируется в бесконечно малой точке, оно становится бесконечно сильным. По аналогичным причинам если бы длина волны света могла быть любым числом вплоть до нуля, то у ящика, заполненного световыми волнами, была бы бесконечная емкость для хранения энергии. Такой ящик засасывал бы энергию, как черная дыра, не из-за гравитационной силы, а из-за неограниченной емкости: как люди в телесериале «В плену ненужных вещей» (Hoarders), которые стали такими барахольщиками, что вещи исчезают в их доме бесследно.

В общем, всякий раз, когда физики пытались описать частицы, взаимодействующие локально, либо сталкиваясь, либо посылая волны через поля, они натыкались на слово «бесконечность». Некоторые начали сомневаться не только в теории Лоренца, но и в понятии полей вкупе с принципом локальности. Проблема физиков XIX в., связанная с отсутствием единства в их предмете, очень похожа на сегодняшнюю ситуацию, в которой теоретики пытаются согласовать гравитацию с другими силами природы. Скоро тот молодой человек, который задавался вопросом о световых волнах в 16 лет, подрастет и устранит эту путаницу.

В колледже Эйнштейн нередко прогуливал занятия. Он был невысокого мнения об уровне преподавания физики. Его преподаватели обходили стороной все интересное, в том числе тот переполох, который подняла теория электромагнетизма Максвелла. Эйнштейн проводил большую часть своего времени в кафе «Метрополь» в Цюрихе, изучая великие философские труды Юма, Канта, Маха. Если бы не конспекты его друзей, он, возможно, так и не получил бы высшего образования. Преподаватели, в свою очередь, находили его слишком самодовольным и давали ему плохие рекомендации. Начальникам лабораторий по всей Европе пришлось позже молча сожалеть, что они отклонили заявление самого Альберта Эйнштейна о приеме на работу.

В самом начале своей карьеры Эйнштейн не придавал особого значения локальности. Он был ньютонианцем. В первых научных статьях он предполагал, что частицы действовали друг на друга на расстоянии. Если законы Ньютона противоречат уравнениям Максвелла, тем хуже для Максвелла. В частности, если законы Ньютона утверждают, что все скорости относительны, то и скорость света должна быть относительной, о чем бы ни говорили уравнения Максвелла. Поэтому Эйнштейн подправил эти уравнения, чтобы сделать скорость света зависимой от скорости его источника, создав новую версию теории электромагнетизма, которая была нелокальной. Именно тогда он изменил свое мнение. Пересмотренная теория внесла такие серьезные изменения в оригинальную версию теории Максвелла, что эксперименты ее исключили. Больше того, она предсказывала, что одни люди должны были видеть, что электромагнетизм подчиняется уравнениям Максвелла в их оригинальной форме, а другие — видеть искаженную версию — такая перспектива оскорбляла эгалитарные чувства Эйнштейна.

В момент прозрения Эйнштейн понял, что скорости могут быть относительными,а свет в то же время может устанавливать абсолютную планку скорости. В этом нет никакого противоречия, как думали все остальные. Нужно только быть аккуратными, говоря об относительной скорости. Обычное правило, воплощенное в законах Ньютона, состоит в том, что относительная скорость вычисляется путем складывания или вычитания: бейсбольный мяч, летящий со скоростью 30 км/ч навстречу поезду, двигающемуся со скоростью 130 км/ч, перемещается со скоростью 160 км/ч относительно пассажира поезда. Все же это правило содержит негласное и ничем не подкрепленное предположение о мгновенной передаче информации или, что эквивалентно, о нелокальности.

Эйнштейн осознал это, когда размышлял о том, что на самом деле подразумевает сравнение скоростей. Он использовал — в действительности впервые — один из самых любимых у современных физиков стилей рассуждения, «операциональное» мышление, которое заключается в том, что вы спрашиваете, откуда вам известно то, что известно. Часто обнаруживается, что существующие убеждения необоснованны и даже неверны. Между прочим, этот стиль может пригодиться в любом споре. Чтобы поднять уровень политического спора, спросите, как происходит что-то. Например, если кто-то поддерживает или выступает против государственного финансирования системы здравоохранения, спросите, как вообще устроено медицинское страхование. Те, кто очень уверен в своем мнении, увидят собственное невежество или по крайней мере признают, что вопрос не так уж прост.

В случае относительных скоростей Эйнштейн заметил, что для измерения скорости мяча тому, кто его бросает, и пассажиру поезда необходим секундомер. И они не могут заведомо считать, что их часы идут одинаково. Это нужно установить, сравнивая показания часов, а для этого необходимо обменяться какими-то сигналами. Если сигнал передается между ними мгновенно, то они могут подтвердить, что час для одного человека — это то же самое, что час для другого. Но если передача сигнала занимает время, они не могут быть уверены в этом, поскольку их положение изменится, пока сигнал будет в пути, что создаст задержку. Также они не могут знать, что километр для одного из них равен километру для другого. Подразумевается, что измерение длины проводится в один и тот же момент, т.е. сигнал может мгновенно переместиться от одного конца объекта к другому. Если наблюдателям доступны только сигналы, передающиеся с ограниченной скоростью, измерение может быть ошибочным из-за того, что они или объект измерения движется.