«Крестьянин продолжает пахать свое поле»: как теория относительности влияет на нашу жизнь

Можно ли замедлить время, в чем суть революции Эйнштейна и чем займется наука, когда будет создана теория всего? T&P продолжают спецпроект с премией «Просветитель» и публикуют отрывок из книги Вячеслава Покровского «Космос, Вселенная, теория всего почти без формул, или Как дошли до теории суперструн».

Почему понятия современной физики так сложны для восприятия даже профессионалов?

Представьте себе остров, находящийся посреди теплого моря. Здесь очень мягкий климат, плодородная почва, что позволяет снимать несколько урожаев в год. Море кишит рыбой, а леса дичью. Отсутствуют опасные для человека хищные животные и ядовитые змеи. Нет эпидемий болезней. Люди умирают без мучений, достигнув глубокой старости.

Однажды один из жителей острова строит большую деревянную лодку и отправляется исследовать мир. Возвратившись через несколько лет на родину, он рассказывает соплеменникам о том, что мир очень велик. В нем живет много людей и все они вместе с обитателями острова обитают на огромном шаре. В том большом мире есть горы такие высокие, что у некоторых вершины скрываются за облаками. Иногда они извергают пламя, от которого плавятся камни и стекают в виде огненных рек с горы, уничтожая окрестные селения. В этом мире бывают такие ветры, что они поднимают волны выше самых высоких деревьев. Иногда земля начинает трястись, в ней появляются трещины, куда проваливаются люди и дома. В некоторых местах большого мира так холодно, что вода превращается в камень, а в других стоит такая жара, что там не растут ни деревья, ни растения.

Люди большого мира могут летать на железных птицах выше и быстрее любой из птиц, а плавать на воде и под водой на своих лодках глубже и быстрее любой рыбы. Они имеют ящики из какого-то материала, при помощи которых видят, что происходит в любом конце света, и могут разговаривать с человеком, находящимся так далеко, что идти до него надо много дней. Иногда они воюют между собой, и тогда одна железная птица может мгновенно уничтожить целую страну, которая во много раз больше острова.

Естественно, соплеменники не поверили рассказам путешественника. Уж слишком они отличались от каждодневной действительности. Никто из них не видел превращения воды в камень, а тем более плавления камней. Ни одна птица, даже металлическая, не может мгновенно уничтожить целое селение и т.д. Поэтому путешественник до конца дней будет считаться лгуном.

Мы, обитатели Земли, очень похожи на жителей этого комфортного острова. Наши космические скорости по сравнению с субсветовыми скоростями движения микрочастиц ничтожно малы. Во много раз меньше, чем скорость движения черепахи по сравнению со скоростью болида «Формулы–1». Масса всей нашей Солнечной системы бесконечно мала по сравнению с массой черной дыры. Даже на полюсе температура гораздо выше абсолютного нуля. Самая высокая температура на Земле попросту несравнима с температурой даже нашего Солнца.

Мы живем в мире, где массы и скорости слишком малы для того, чтобы релятивистские эффекты оказывали влияние на нашу повседневную жизнь, и слишком велики для проявления квантовых эффектов. Это привело к тому, что на генном уровне пространство, время и материя воспринимаются нами несвязанными и независимыми атрибутами бытия. Поэтому-то с таким трудом воспринимались, да и до сих пор воспринимаются идеи теории относительности.

Еще сложнее обстоит дело с квантовой физикой. Со времен своего появления Homo sapiens очень быстро стал детерминистом на основе своего жизненного опыта, твердо усвоив, что в одинаковых условиях одинаковые причины порождают одинаковые следствия. Поэтому идеи квантовой физики до сих пор с трудом приживаются в сознании наших современников.

Эйнштейновская научная революция

В чем заключается отличие в понимании принципа относительности Ньютоном и Эйнштейном?

Это отличие имеет более глубокий характер, чем кажется на первый взгляд. Предположим, что навстречу друг другу движутся два автомобиля. Автомобиль, в котором находится наблюдатель А, движется со скоростью 80 км/ч относительно дорожного полотна, а автомобиль, в котором находится наблюдатель В, движется ему навстречу со скоростью 40 км/ч также относительно дорожного полотна. Оба автомобиля, не меняя своей скорости, движутся строго по прямой. Тогда наблюдатель А, проведя определенные измерения, может сказать, что его автомобиль движется относительно автомобиля, в котором находится наблюдатель В, со скоростью 80 км/ч + 40 км/ч = 120 км/ч.

Точно такое же заключение сделает наблюдатель В. Более того, если в обоих автомобилях отказали спидометры, то наблюдатель А может утверждать, что его автомобиль стоит на месте, а автомобиль наблюдателя В движется относительно его автомобиля со скоростью 120 км/ч. Такое же утверждение может сделать и наблюдатель В, только он будет считать, что его автомобиль стоит, а со скоростью 120 км/ч движется автомобиль наблюдателя А.

Оба наблюдателя также могут утверждать, что автомобили движутся навстречу друг другу с одинаковыми скоростями 60 км/ч относительно дорожного покрытия или что один автомобиль движется со скоростью 20 км/ч, а другой — 100 км/ч. Число вариантов бесконечно. Таким образом, принцип относительности Галилея—Ньютона утверждает, что свободное движение имеет смысл только относительно других объектов, поэтому понятия «абсолютного» движения не существует, свободное же движение имеет смысл только при сравнении.

В понимании Эйнштейна принцип относительности заключается в следующем: законы физики, каковы бы они ни были, должны быть абсолютно одинаковы для всех наблюдателей, совершающих равномерное движение.

Из ОТО (общей теории относительности. — Прим. ред.) следует, что материальные тела искривляют пространство, а оказывают ли они влияние на время?

Да, оказывают. Приведем два примера. Еще в начале 60-х годов в парках отдыха существовал аттракцион «колесо смеха». Суть его заключалась в следующем. На диск рассаживались дети, после чего он начинал вращаться. Согласно законам физики на каждого ребенка начинала действовать центробежная сила, тем большая, чем дальше он находился от центра диска. Поэтому первыми с диска скатывались дети, находившиеся ближе к его краю. Счастливец же, занявший место в центре диска мог находиться там очень долго.

Теперь представим себе, что наблюдатель, имеющий пару синхронизированных часов, оставил одни в центре диска, а с другими часами движется от центра диска к периферии. При этом на него начинает действовать центробежная сила, тем большая, чем ближе наблюдатель приближается к краю диска. Вернувшись обратно, в центр диска, наблюдатель обнаружит, что его часы отстали от часов, оставленных в центре диска. Результат вполне объясним в рамках СТО. Наблюдатель, перемещаясь к периферии вращающегося диска, движется со все более высокой линейной скоростью. Как мы выяснили выше, с точки зрения неподвижного наблюдателя время у движущегося наблюдателя будет течь медленнее. Замедление хода времени можно подсчитать, пользуясь преобразованиями Лоренца.

Теперь представим себе, что вращающийся диск помещен в темную комнату, и наблюдатель не может определить, вращается диск или нет, но зато он испытывает действие центробежной силы инерции, которая стремится прижать его к периферии диска.

Сравнив показания часов, наблюдатель приходит к вполне логичному выводу, что на замедлении хода часов сказывается сила, которая стремится прижать его к периферии диска, поскольку часы, находящиеся в центре, своего хода не изменили, так как на них центробежная сила не действовала.

Рассмотрим еще один пример. Представим себе летящую в космосе ракету, внутри которой находятся два космонавта: один наверху, у потолка, другой — внизу, на полу. Космонавт, находящийся наверху, дождавшись какого-то определенного времени, например, двенадцати часов, на мгновение зажигает фонарик, а через секунду зажигает его второй раз. Если ракета движется равномерно, то второй космонавт также получит сигналы с интервалом в одну секунду.

Теперь представим себе, что ракета начинает ускоряться. Тогда первому сигналу понадобится меньше времени для того, чтобы дойти до второго космонавта, чем в случае равномерного движения. Второй же сигнал затратит еще меньше времени, поскольку в момент его отправки за счет ускорения скорость ракеты еще увеличится, и ему придется пройти меньшее расстояние. Таким образом, интервал времени между сигналами для космонавта, находящегося внизу, будет меньше одной секунды, хотя космонавт, находящийся на потолке, будет утверждать, что посылал сигналы с интервалом в одну секунду.

Теперь опять вспомним принцип эквивалентности. Он говорит, что мы не можем определить, перемещаемся ли мы с постоянным ускорением или находимся в гравитационном поле. В первом примере ускорение связано с центробежной силой, возникающей при вращении диска, во втором примере — с работой двигателей ракеты, если она находится в полете, либо с гравитационным полем Земли, если она стоит на стартовой площадке, но во всех случаях время будет замедляться тем больше, чем больше ускорение. Таким образом, на первом этаже небоскреба время будет течь медленнее, чем на сотом, поскольку он находится ближе к центру Земли и, следовательно, ускорение свободного падения там больше.

В литературе как пример замедления времени описан парадокс близнецов. Суть его в следующем. Один брат-близнец, назовем его домоседом, остается на Земле, а второй, назовем его путешественником, отправляется в космическое путешествие. При возвращении окажется, что домосед уже глубокий старик, а путешественник постарел всего на несколько лет. Давайте будем считать, что путешественник остался на месте, а домосед вместе с Землей улетает в космос. Тогда картина будет обратной. Постареет путешественник, а домосед останется молодым. Почему же все-таки старится домосед?

В науке найдется мало теорий, вызывающих столько ожесточенных споров. Многие известные физики и философы восприняли СТО и ОТО, а также парадокс близнецов. Это А. Эддингтон, М. Шлик, Б. Рассел, Г. Рейхенбах и многие другие. Большинство же физиков и философов предпочитали хранить молчание. Противников же теории относительности оказалось не меньше, чем ее сторонников. Ситуация напоминала положение дел после появления работ Ньютона, когда над умами ученых довлел авторитет Аристотеля. Теперь же многие не смогли смириться с идеями, идущими вразрез с идеями «короля физики» — Ньютона.

Сам Майкельсон, эксперимент которого по признанию Эйнштейна, сделанному им незадолго до смерти, проложил дорогу СТО, так до конца своих дней и не признал теории относительности. Астроном с мировым именем В. Макмиллан объявил теорию относительности печальным недоразумением. Он писал:

«Мы отказались от всего, чему нас учили раньше, создали постулат, самый бессмысленный из всех, который мы только могли придумать, и создали неньютоновскую механику, согласующуюся с этим постулатом. Достигнутый успех — превосходная дань умственной активности и нашему остроумию, но нет уверенности, что нашему здравому смыслу».

Из-за парадокса близнецов французский философ А. Бергсон порвал отношения с Эйнштейном, а английский физик Г. Дингль, затратив много лет, написал кучу статей, где разоблачал «парадокс близнецов», попутно обвиняя сторонников теории относительности в тупости и изворотливости.

На самом деле никакого парадокса здесь нет. Теория относительности освободила нас от понятия абсолютного времени. Пусть близнец-путешественник отправляется к какой-то планете. Часы домоседа, остающегося на Земле показывают одинаковое время со всеми другими часами, находящимися на Земле. Часы же путешественника связаны с космическим кораблем, который инерциальной системой назвать никак нельзя. При старте с Земли корабль ускоряется, при приближении к планете тормозится, затем делает разворот, снова ускоряется, а при приближении к Земле опять тормозится. Все это приводит к возникновению огромных сил инерции, которых нет на Земле, поскольку она не испытывает никакого мощного ускорения. Все эти силы инерции, которые согласно принципу эквивалентности неотличимы от силы гравитации, и замедляют ход часов близнеца-путешественника.

Физик Э. Макмиллан из Калифорнийского университета просчитал замедление времени для путешественника, отправляющегося с Земли к спиральной Туманности Андромеды, находящейся от нас на расстоянии около двух миллионов световых лет*. Если первую половину пути космический корабль будет двигаться с ускорением 2g, затем с таким же замедлением, обратный путь проделает по такой же схеме, то по часам путешественника при возвращении на Землю пройдет 29 лет, по земным же часам — около трех миллионов лет.

Существуют ли экспериментальные доказательства верности ОТО?

Существуют, и очень много. Физики-экспериментаторы не могли пройти мимо такой грандиозной физической идеи. В XIX веке астрономы обнаружили, что большая ось эллипса, который является орбитой Меркурия, ведет себя странно, и эта странность не может быть объяснена с точки зрения механики Ньютона. Эта ось поворачивается (прецессирует) вокруг Солнца примерно на один градус в десять тысяч лет. Эйнштейн понял, что Меркурий испытывает более сильное влияние искривления пространства под действием гравитационного поля Солнца, так как это ближайшая к Солнцу планета, и в 1915 году рассчитал величину этой прецессии, исходя из своей ОТО. Результат полностью совпал с экспериментальными данными.

В последующие годы в связи с развитием радиотелескопов наличие прецессии орбит других планет было подтверждено рядом исследований.

Другим успехом ОТО было подтверждение искривления света гравитационным полем Солнца. Согласно ОТО, лучи света должны изгибаться под действием гравитационного поля Солнца (или порождаемой этим полем кривизны пространства). Трудность эксперимента заключается в том, что в обычных условиях свет Солнца затмевает свет звезд, однако во время солнечного затмения эта трудность снимается. В 1919 году английский астроном А. Эддингтон и его коллеги провели ряд астрономических наблюдений затмений Солнца. Было подтверждено наличие отклонения, но впоследствии оказалось, что это совпадение было счастливой случайностью (либо подтасовкой, что нередко случается в науке), поскольку погрешность измерения была примерно равна величине отклонения. Однако результаты многочисленных более точных изменений, проведенных позднее, полностью совпадают с предсказаниями ОТО.

Эффект замедления времени также был многократно подтвержден экспериментально.

Еще одно предсказание, сделанное Эйнштейном, касалось так называемого красного смещения в спектре Солнца. Это предсказание заключается в том, что влияние гравитационного поля Солнца, во много раз превышающего гравитационное поле Земли, приведет к тому, что колебания атомов на Солнце будет идти с меньшей частотой, чем на Земле. Как следствие этого, спектр излучения Солнца будет сдвинут в сторону красных частот, т. е. более длинных волн. Проведенные измерения дали очень хорошие совпадения рассчетов и экспериментальных результатов.

В 1958 году немецкий физик Р. Мессбауэр на основе открытого им эффекта, названного впоследствии его именем, придумал способ создания ядерных часов, которые после 1 000 000 000 000 тиканий отстают всего на одну сотую тиканья.

С этими часами было проведено множество экспериментов. Одни часы ставили на три года на первом этаже небоскреба, другие — на сто втором (США). Одни на краю, другие в центре вращающегося диска диаметром 15 см (Англия). Одни на ракете, другие на Земле (США совместно с Японией; СССР). Далее сравнивали их показания — везде расхождение в разности хода с высокой степенью точности совпадало с предсказаниями ОТО.

Что такое теория всего?

Повлияет ли создание окончательной теории, если, конечно, она когда-нибудь будет создана, на сознание человечества?

У прекрасного нидерландского художника XVI века Питера Брейгеля Старшего есть замечательная картина «Падение Икара». На картине Икар заметен не сразу. Между берегом и кораблем лишь обозначены ноги тонущего, но никто не обращает на это внимания. Крестьянин продолжает пахать свое поле, пастух гонит стадо, купеческий корабль готовится к отплытию, рыболов продолжает удить рыбу и никто не приходит к нему на помощь. Такая же судьба уготовлена и всем великим физическим теориям — на сознание человечества в целом они не оказывают никакого влияния. Разве изменилось сознание человечества после появления ОТО и квантовой механики? Они не предотвратили разрушительных войн, зарождения фашизма и многого другого. Более того, если древо науки выращивают ученые, то его плодами в первую очередь пользуются политики и, как правило, пытаются использовать очередное научное открытие для создания какого-то более смертоносного, по сравнению с предыдущим, оружия. Таким образом, после создания теории всего коренным образом сознание людей вряд ли изменится.

Закончится ли наука после того, как будет создана окончательная теория?

Конечно, нет, хотя бы потому, что теория всего практически не окажет влияния на такие разделы физики, как физика твердого тела, физика полупроводников, физика сплошных сред, аэрои гидродинамика и другие. Эта теория откроет нам правила, по которым Природа или Бог играет на великой шахматной доске Вселенной, но ни в коей мере не освободит нас от множества задач, ждущих своего решения. Число же научных и инженерных проблем, которые предстоит решить человечеству, поистине бесконечно.

В ближайшие два десятилетия кремниевая технология, основа создания современных компьютеров, исчерпает себя. Поэтому уже сейчас активно ведутся работы по созданию новой элементной базы микроэлектроники, на других, отличных от кремниевой технологии, принципах. Это эффект Джозефсона, молетроника, квантовые компьютеры и т. п. Уже сейчас не кажутся фантастическими разговоры о записи информации на отдельных атомах. Не за горами создание транзистора из отдельных атомов. По расчетам ученых, транзистор, состоящий примерно из двухсот атомов, под действием излучения, лежащего в радиодиапазоне, сможет переходить из состояния с низкой энергией в состояние с высокой. Поскольку волновая природа микрочастиц и принцип неопределенности позволяют такому транзистору находится одновременно в двух состояниях, то быстродействие такого квантового компьютера становится просто фантастическим. По расчетам, компьютер, состоящий всего из нескольких десятков атомов, будет обладать немыслимым быстродействием — десять триллионов операций в секунду.

Можно ожидать, что сработает один из основных законов диалектики — переход количества в качество, что сделает возможным создание искусственного интеллекта. Это, в свою очередь, приведет к резкому сокращению затрат времени на решение различных, в том числе и научных проблем. Проблемы, на решение которых ученые тратили годы, с помощью искусственного интеллекта будут решены за несколько дней. Впрочем, не следует исключать и мрачные прогнозы писателей-фантастов о возможном выходе искусственного интеллекта из-под контроля человека.

Давно ждет своего решения проблема высокотемпературной сверхпроводимости, которая позволит свести к минимуму колоссальные потери электроэнергии и значительно снизить влияние на природу, оказываемое многочисленными ТЭЦ, ГРЭС, АЭС и ЛЭП, улучшив тем самым экологию планеты.

Множество проблем уже давно ждут своего решения в астрофизике. Например, до сих пор неясен механизм образования Галактик.

Наступивший XXI век будет веком биологии. Здесь также непочатый край работы. Это и образование ДНК, и работа мозга — проблема, которой ученые занимаются не одно десятилетие, но до сих пор так и не могут похвастаться выдающимися успехами. К ней вплотную примыкает проблема создания искусственного интеллекта, о возможности решения которой до сих пор идут споры среди кибернетиков, физиков, биологов, философов и богословов. Хотя проблем, стоящих перед наукой бесчисленное множество, очень хочется верить словам А. Эйнштейна: «Наиболее необъяснимое во Вселенной — это то, что она объяснима».