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

•

Глобальный предел скорости исключает бесконечно быстрые нелокальные силы, которые постулировал Ньютон. Больше того, как просвещенный родитель, который не просто придумывает домашние правила, но и обстоятельно объясняет их смысл, теория относительности не просто запрещает движение со сверхсветовой скоростью, но и четко разъясняет, почему это было бы так проблематично.

Прежде всего превышение предела скорости привело бы к нарушению причинно-следственных связей. У разных людей были бы разногласия не только по поводу того, что такое «сейчас», но и по поводу того, что такое «раньше» и «позже». Чтобы понять почему, вернемся в режим операционального мышления Эйнштейна и спросим себя: «Каким образом я узнаю́, в каком порядке происходят события?» Нам необходимо наблюдать эти события, используя свет или какой-то другой «зонд», которому требуется время для прохождения через пространство. Если события происходят настолько быстро друг за другом, что свет не может дойти до нас за промежуток времени между ними, то наблюдения за этими событиями могут противоречить друг другу и у людей возникнут разногласия не только в том, как быстро происходили события, но и в том, что, в сущности, произошло.

Например, вернемся к сценарию с поездом и на этот раз предположим, что мы бросаем мяч со скоростью выше скорости света в сторону поезда, который удаляется от нас. Мяч догоняет поезд, пробивает дыру в последнем вагоне, летит через весь поезд и вылетает из его передней части. По крайней мере, так будет казаться вам. Пассажир в поезде, возможно, увидит что-то иное. Свету требуется время, чтобы достичь глаз пассажира от места резкого вторжения мяча и от места его вылета, а тем временем поезд продолжает двигаться вперед, так что свет, идущий от последнего вагона поезда, должен преодолеть бо́льшую дистанцию, чем свет от передней части поезда. Следовательно, пассажир мог увидеть, как мяч пробивает стенку первого вагона прежде, чем он пробьет стенку заднего. Фактически, вся последовательность событий была бы инвертирована: мяч летит назад, из последнего вагона поезда прямо к вам в руки, готовые его поймать. Даже если пассажир осознает, что не все то правда, что кажется ею, и учитывает, что свету нужно время для распространения, он думает, что события происходят в обратном порядке. И так как точка зрения пассажира абсолютно равнозначна вашей собственной, вы оба правы. Когда объекты перемещаются быстрее света, порядок событий объективно неоднозначен.

Такое обращение причин и следствий — это не просто взрыв мозга, но и разрушение теории. Это все равно что перемещение назад во времени. Передавая сигналы через наблюдателей, которые перемещаются быстрее света или взаимодействуют нелокально, вы могли бы отправить сообщение в свое собственное прошлое. Эйнштейн осознал это еще в 1907 г. «Используя сверхсветовые скорости,мы могли бы телеграфировать в прошлое», — заметил он на одной конференции. Эта перспектива казалась ему веселой, но писателям-фантастам было виднее. Они уже строили сюжеты на основе того ящика Пандоры, который открывают путешествия во времени. Пожалуй, самый первый пример, написанный в 1881 г. американским писателем Эдвардом Пейджем Митчеллом, рассказывает историю путешественника во времени, спасающего осажденный в XVI в. голландский город Лейден, используя свои исторические знания о том, что произошло, таким образом создавая причинно-следственную петлю: путешественник становился ответственным за каждое событие, которое он помнит. Более поздние сюжеты обыгрывали возвращение в прошлое и предотвращение своего собственного рождения путем убийства дедушки или другого предка. Ну а в реальной жизни физики и философы стали считать путешествия во времени совершенно невозможными. Если законы физики не делают ничего другого, они должны по крайней мере предотвращать логические противоречия. Непреодолимый предел скорости делает именно это.

Кроме сохранения единственного направления связи причины и следствия ограничение скорости гарантирует, что само понятие закона физики имеет смысл. Если бы объекты или силы могли перемещаться бесконечно быстро, мир впал бы в анархию. Яркий пример был обнаружен Полем Пенлеве, человеком, который как министр обороны и премьер-министр Франции в особенно мрачный период Первой мировой войны довольно хорошо был знаком с анархией. В безмятежные дни середины 1890-х гг. Пенлеве был скромным математиком. Один из его проектов состоял в применении закона тяготения Ньютона к плотным кластерам звезд. Пенлеве понял, что звезды, которые снуют одна вокруг другой, как пчелы в улье, могут собраться в такую безумную кучу, что законы физики будут не способны сказать, что произойдет после этого — непреодолимая проблема, известная как сингулярность.

Сингулярность — это любое место или событие, в которых физические величины становятся бесконечными, а законы природы сходят с ума. Центр черной дыры — это еще один пример, хотя по другим причинам. В случае, который описывает Пенлеве, одна из звезд могла бы улететь в открытый космос с бесконечной скоростью. Это уже плохо, но еще хуже то, что могло произойти то же самое, только наоборот. В любой момент новая звезда могла бы примчаться из бесконечно удаленного места подобно космическому захватчику, как позже выразился один философ. Если так, то законы физики не могли бы предсказать наверняка, что произойдет с кластером или вообще с чем-либо. Захватчик из космоса мог бы примчаться через всю Вселенную, украсть носки из вашей корзины для белья и вернуться домой прежде, чем вы что-либо поймете. Это гораздо хуже других примеров случайности в физике, потому что в данном случае невозможно даже присвоить вероятности возможным исходам.

Эта кажущаяся нелепость не ограничивается законами Ньютона. Некоторые типы полей также позволяют импульсам распространяться через них с бесконечной скоростью. Всякий раз, когда скорость становится бесконечной, расстояние в пространстве теряет всякое значение и мир превращается в недетерминистский, в нем правит не закон, а прихоть. Все, что физики пытались создать начиная со времен Древней Греции, рухнуло бы. Налагая ограничение на максимальную скорость, теория относительности восстанавливает закон и порядок, не говоря уже о том, что она охраняет вашу корзину для белья. Как сказал Стив Гиддингс, теоретик-ледолаз: «Все, что нелокально, потенциально может оказаться мусором». Относительность подтверждает старую интуитивную догадку о том, что нелокальность сделала бы Вселенную непостижимой.

•

Давайте подведем итог того, как обстояли дела накануне квантовой революции. В Античности философы убеждали себя в том, что объекты взаимодействуют, только сталкиваясь друг с другом. Во времена Ньютона они убеждали себя в том, что взаимодействие путем прямого контакта на самом деле не имело никакого смысла и что объекты должны воздействовать друг на друга на расстоянии. Затем с Майкла Фарадея началось еще одно изменение взглядов, которое достигло кульминации при Эйнштейне, и все решили, что объекты должны взаимодействовать локально. Даже Нильс Бор, который не соглашался с Эйнштейном во многом другом, назвал дальнодействие «иррациональным» и «абсолютно непостижимым».

Атомисты различали два аспекта локальности. Принцип локального действия гласит, что воздействия не перепрыгивают из одного места в другое, но проходят через все промежуточные точки. А принцип отделимости гласит, что каждый отдельный объект обладает своей независимой реальностью. У мира есть структура — вещи не сливаются вместе, образуя бесформенную массу. Электромагнитное, гравитационное и другие поля воплощают обе эти идеи, но таким образом, о котором античные атомисты не могли даже помыслить. Объекты могут взаимодействовать не только при соприкосновении, но также и путем непрерывного воздействия: за счет колебаний полей. Каждая точка поля является отдельным объектом сама по себе, существование которого — объективный факт, признаваемый всеми наблюдателями.