Дао физики. Исследование параллелей между современной физикой и восточной философией - Фритьоф Капра

Концепции пространства и времени настолько важны в описании природных явлений, что их корректировка меняет всю систему, которую мы используем для описания природы. В ней пространство и время — равноправные неразделимо связанные фундаментальные понятия. В релятивистской физике мы не можем говорить о пространстве, не говоря о времени, и наоборот. Этот новый взгляд необходимо использовать всегда, когда описываемое явление подразумевает наличие сверхвысоких скоростей.

Тесная связь между пространством и временем была хорошо известна в астрономии задолго до создания теории относительности, пусть и в другом контексте. Астрономы и астрофизики имеют дело с очень большими расстояниями, поэтому для них важно, что свету нужно время, чтобы переместиться от наблюдаемого объекта к наблюдателю. Поскольку скорость света конечна, наблюдатель видит не текущее положение небесных тел, а то, каким оно было некоторое время назад. Свет проходит расстояние между Солнцем и Землей за восемь минут. Поэтому, в какой бы момент мы ни взглянули на Солнце, мы всегда увидим его таким, каким оно было восемь минут назад. И мы видим ближайшую к Земле звезду такой, какой она была четыре года назад. А мощные телескопы позволяют нам наблюдать за процессами, которые происходили в других галактиках миллионы лет назад.

Безусловно, конечность скорости света неудобна для астрономов. Но в этом есть и положительная сторона. Астрономы могут наблюдать эволюцию звезд, их скоплений и галактик на всех стадиях, заглядывая в космос и одновременно перемещаясь в прошлое. Явления, происходившие на протяжении миллионов лет, можно сейчас видеть в определенных участках космоса. Поэтому астрономы хорошо знают о большом значении связи пространства и времени. Теория относительности утверждает, что эта связь важна не только для больших расстояний, но и для высоких скоростей. Даже на Земле любое измерение расстояния зависимо от времени, поскольку учитывает условия движения наблюдателя.

Единство пространства и времени вызывает (как было отмечено в предыдущей главе) единство и других основополагающих понятий. В этом и состоит суть релятивизма. Категории, которые в нерелятивистской физике представлялись независимыми, при таком подходе выглядят как разные стороны одной и той же теории. Представление о единстве природы позволяет теории относительности объяснять устройство мира математически элегантно и красиво. За многие годы мы оценили математическое совершенство теории относительности и глубоко изучили ее аппарат. Но она не очень помогла нам в интуитивном восприятии действительности. Мы не можем познать четырехмерное пространство-время, как и все остальные релятивистские понятия, с помощью органов чувств. Когда мы сталкиваемся с явлениями природы, в которых участвуют скорости, близкие к световой, у нас возникают трудности и на интуитивном уровне, и на уровне языка. Например, классическая физика признает, что длины движущегося и покоящегося стержней одинаковы. Теория относительности же обнаружила, что это не соответствует истине. Длина объекта зависит от скорости его движения относительно наблюдателя и изменяется в зависимости от скорости. Вдоль направления движения она уменьшается. Максимальную длину стержень имеет в той системе координат, в которой он покоится, а при увеличении скорости относительно наблюдателя он становится короче. В физике высоких энергий в экспериментах с «рассеиванием», в которых частицы сталкиваются на таких больших скоростях, уменьшение их размеров в соответствии с теорией относительности получает свое крайнее выражение: они сплющиваются и из шаров превращаются в блины.

Важно понимать, что вопрос об «истинной» длине объекта не имеет смысла, как и вопрос об истинной длине вашей тени. Тень — проекция точек трехмерного пространства на двумерную плоскость, и ее длина будет разной при разных углах проекции. А длина движущегося объекта — проекция точек, находящихся в четырехмерном пространстве-времени, в трехмерное, и она будет разной в разных системах координат.

То, что верно для длины объектов, верно и для временных интервалов. Они тоже зависят от системы координат, но, в отличие от расстояний, растут при увеличении скорости движения объекта относительно наблюдателя. При быстром движении часы идут медленнее, время замедляется. Часы могут быть какими угодно: механическими, атомными, даже представлять собой биение человеческого сердца. Если бы один из близнецов отправился в скоростное путешествие в космос, то, вернувшись домой, он оказался бы моложе брата, поскольку все его «биологические часы»: сердцебиение, кровообращение, электромагнитные волны мозга и т. д. — замедлили бы свой ход относительно человека на Земле. Сам путешественник, разумеется, не заметил бы этого и лишь по возвращении обнаружил бы, что его брат стал значительно старше его. Возможно, этот «парадокс близнецов» — самый известный парадокс современной физики. Он жарко обсуждался в научных журналах, и дискуссии продолжаются. Это красноречивое доказательство того, что реальность, описанная теорией относительности, не может быть воспринята и объяснена с помощью привычных понятий.

Замедление хода часов при движении, каким бы невероятным оно ни казалось, находит подтверждение в физике частиц. Большинство субатомных частиц неустойчиво: через некоторое время они превращаются в другие частицы. Многочисленные эксперименты подтвердили, что продолжительность существования неустойчивой частицы зависит от скорости ее движения относительно наблюдателя[159]. Частицы, движущиеся со скоростью, равной 80 % от скорости света, существуют примерно в 1,7 раза дольше, чем их более медленные «близнецы», а на скорости, равной 99 % от скорости света, они существуют примерно в семь раз дольше. Но это не означает, что изменяется изначально присущая частицам длительность существования. С точки зрения частицы она постоянна, но с точки зрения наблюдателя ее «внутренние часы» замедляются, поэтому время ее жизни увеличивается.

Все эти релятивистские явления кажутся странными только потому, что мы не можем воспринимать четырехмерный мир при помощи органов чувств. Трехмерные образы выглядят по-разному в разных системах координат: движущиеся объекты отличаются от объектов в покое, движущиеся часы идут с разной скоростью. Эти явления кажутся нам парадоксальными, если мы не осознаем, что все они — проекция четырехмерных явлений, как тени — проекции трехмерных предметов. Если бы мы могли познать четырехмерное пространство-время при помощи органов чувств, то эти явления вовсе не казались бы нам парадоксальными.