СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ: ВРЕМЯ КАК УЧАСТНИК СОБЫТИЙ
Есть эксперимент, который считается одним из самых знаменитых провалов в истории науки, и в этом провале - вся ирония научного метода: чем тщательнее вы ищете что-то, о существовании чего никто не сомневается, и чем упорнее это что-то отказывается находиться, тем больше шансов, что вы наткнулись не на ошибку измерения, а на дыру в самой картине мира. В 1887 году Альберт Майкельсон и Эдвард Морли в Кливленде построили интерферометр невероятной по тем временам точности, чтобы поймать эфирный ветер - движение Земли сквозь ту неподвижную субстанцию, которая, как тогда казалось совершенно очевидным, заполняет всё мировое пространство и служит средой для распространения света, точно так же, как воздух служит средой для звука. Идея была логичной до зевоты: Земля летит вокруг Солнца со скоростью около тридцати километров в секунду, значит, в разное время года и в разных направлениях скорость света относительно приборов должна чуть-чуть отличаться, и эту крошечную разницу интерферометр обязан был увидеть. Он не увидел ничего. Ветра не было. Свет вёл себя так, будто Земля вообще никуда не летит, или будто эфира не существует вовсе, или будто с самим понятием скорости света происходит что-то, чего физика девятнадцатого века попросту не предусматривала.
Дальше начинается один из самых поучительных сюжетов в истории идей - сюжет о том, как умные люди отчаянно пытаются спасти привычную картину мира, добавляя к ней всё более изощрённые заплатки, прежде чем кто-то наконец предложит выбросить саму картину и нарисовать новую. Ирландец Джордж Фицджеральд, а вслед за ним, независимо и куда более систематически, голландец Хендрик Лоренц предположили: пусть тела, движущиеся сквозь эфир, физически сжимаются в направлении движения ровно настолько, чтобы скомпенсировать ожидаемую разницу и обмануть прибор. Это было не жульничество, а вполне серьёзная гипотеза, встроенная в электродинамическую теорию Лоренца, где сокращение объяснялось тем, что молекулярные силы, удерживающие вещество, сами имеют электромагнитную природу и потому реагируют на движение сквозь эфир так же, как и электромагнитное поле. Лоренц пошёл дальше и ввёл понятие «местного времени» - математической величины, которая менялась в зависимости от скорости движущейся системы, но воспринималась им как чисто вычислительный трюк, полезная фикция для упрощения уравнений, а вовсе не как физическая реальность. Настоящее время, по Лоренцу, оставалось одно - универсальное, эфирное, абсолютное, просто в движущихся системах приборы почему-то показывали немного другое.
Французский математик и физик Анри Пуанкаре подошёл ещё ближе к финальному ответу. Именно он в начале 1900-х годов сформулировал принцип относительности в его почти современном виде, заявив, что законы физики должны быть одинаковы для всех наблюдателей, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, и что никаким экспериментом внутри такой системы нельзя обнаружить её абсолютное движение. Он же первым увидел, что преобразования Лоренца образуют математическую группу, и в 1905 году, буквально за недели до публикации Эйнштейна, отправил в печать работу с почти окончательными формулами. Историки науки до сих пор довольно оживлённо спорят, кому какая доля славы причитается - этот спор давно вышел за пределы академических кулуаров и время от времени превращается в настоящий предмет национальной гордости, - но принципиальная разница между Пуанкаре и Эйнштейном лежит не в формулах, которые действительно почти совпадают, а в философии, которая за ними стоит. Пуанкаре по сути так и остался в рамках эфирной картины: он получал правильные уравнения, но продолжал считать, что где-то за кулисами существует абсолютная, хоть и принципиально ненаблюдаемая, система отсчёта, а сокращение длин и замедление часов - это реальные физические эффекты движения сквозь эту среду, просто хитро устроенные так, что обнаружить саму среду невозможно в принципе.
И вот тут появляется молодой клерк патентного бюро в Берне, который в 1905 году в статье с обманчиво скучным названием «К электродинамике движущихся тел» делает шаг, который и есть, собственно, интеллектуальная революция в самом строгом смысле слова: он не подгоняет уравнения под наблюдение, а меняет вопрос. Эйнштейн говорит: а что если эфира просто нет? Что если не нужно никакой субстанции, сквозь которую движется свет и относительно которой можно было бы определить истинную скорость? Что если вместо этого принять два постулата - законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта, и скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей независимо от скорости источника и наблюдателя, - и просто честно, без всякой ностальгии по абсолютному времени, посмотреть, что из этого следует? Следствия оказались настолько радикальными, что и сегодня, спустя сто с лишним лет, они продолжают ломать интуицию каждого нового поколения студентов ровно так же, как ломали её современников Эйнштейна.
Главное следствие, из которого вырастает всё остальное здание теории, - это относительность одновременности, и вот тут стоит остановиться подробнее, потому что именно эта идея из абстрактной математики становится по-настоящему философским потрясением. Мы привыкли думать, что фраза «эти два события произошли одновременно» имеет абсолютный смысл, не зависящий от того, кто и откуда на них смотрит. Ньютон был в этом абсолютно убеждён: время у него течёт равномерно и одинаково для всей Вселенной, независимо от того, что в ней происходит, - это своего рода вселенские часы, тикающие в стороне от материи и событий. Эйнштейн показывает: если скорость света одинакова для всех, то одновременность двух пространственно разнесённых событий перестаёт быть абсолютным фактом и становится фактом, зависящим от скорости наблюдателя. Классический мысленный эксперимент - поезд, идущий с большой скоростью, и вспышки молний, ударяющих одновременно в его переднюю и заднюю часть с точки зрения человека, стоящего на насыпи. Наблюдатель внутри поезда, движущийся навстречу свету от передней вспышки и удаляющийся от света задней, увидит эти же две вспышки не одновременно. И дело здесь вовсе не в том, что свет якобы «не успевает» до него дойти - задержка сигнала есть всегда, и её умеют вычитать даже в ньютоновской физике. Дело в том, что сама последовательность событий, факт их одновременности или неодновременности, оказывается не свойством событий самих по себе, а свойством отношения между событиями и наблюдателем. Два разных наблюдателя, движущихся друг относительно друга, могут абсолютно законно, без всякой ошибки в расчётах, не согласиться друг с другом о том, что произошло раньше, а что позже, если эти события разделены пространственно и находятся вне так называемого светового конуса причинности друг друга. Причём - и это важно подчеркнуть - согласие полностью восстанавливается, если события причинно связаны: нельзя увидеть следствие раньше причины ни в одной системе отсчёта, порядок причинных событий абсолютен. А вот порядок причинно не связанных, разнесённых в пространстве событий - уже относителен, и именно это разрушает старую картину времени как единой всеобщей реки, в которой все настоящее переживают в один и тот же момент.
Из относительности одновременности логически, почти автоматически, следуют два эффекта, которые обычно и составляют весь школьный курс специальной теории относительности, хотя на самом деле они - лишь частные проявления более глубокой идеи. Первый - замедление времени: часы, движущиеся относительно наблюдателя, идут для этого наблюдателя медленнее, чем его собственные часы, причём эффект абсолютно симметричен - с точки зрения наблюдателя в движущейся системе, это часы неподвижного наблюдателя кажутся замедленными. Второй - сокращение длины: линейка, движущаяся относительно наблюдателя, оказывается для него короче в направлении движения, и снова симметрично. Именно эта симметрия - каждый из двух наблюдателей совершенно законно считает, что именно у другого время идёт медленнее, - рождает знаменитый парадокс близнецов, который вовсе не парадокс в смысле логического противоречия, а просто ловушка для тех, кто забывает, что симметрия нарушается в тот момент, когда один из близнецов, летевший к далёкой звезде и обратно, вынужден развернуться, то есть на какое-то время перестать быть инерциальным наблюдателем и испытать ускорение. Именно разворот, то есть смена системы отсчёта, а вовсе не сама скорость полёта, и делает братьев неравноправными, и потому вернувшийся домой близнец оказывается моложе того, кто оставался на Земле. Французский физик Поль Ланжевен впервые чётко сформулировал этот сценарий в 1911 году, и с тех пор он остаётся, наверное, самой популярной иллюстрацией теории относительности в массовой культуре - притом что многие пересказы этой истории до сих пор ухитряются перепутать, где именно спрятана асимметрия, и объявляют парадокс неразрешимым, хотя он был разрешён сто с лишним лет назад.
Стоит сразу же сказать твёрдо и без экивоков: замедление времени и сокращение длин - не иллюзия восприятия, не оптический обман, не следствие того, что свет якобы «не успевает» донести информацию. Это физически реальные, многократно и разнообразно подтверждённые эффекты. Мюоны - нестабильные частицы, рождающиеся высоко в атмосфере при столкновении космических лучей с молекулами воздуха, - живут в состоянии покоя считаные микросекунды, и по всем ньютоновским расчётам подавляющее большинство из них должно было бы распадаться задолго до того, как долетит до поверхности Земли. Но летящий с околосветовой скоростью мюон испытывает замедление собственного времени настолько сильное, что до поверхности долетает огромная доля этих частиц, и этот эффект детекторы регистрируют постоянно, это рутинная, ежедневная физика. В 1971 году Джозеф Хафеле и Ричард Китинг облетели земной шар с атомными часами на борту коммерческих авиалайнеров, а затем сравнили их показания с показаниями часов, оставшихся на земле, и обнаружили именно те расхождения - в наносекундах, но абсолютно измеримые, - которые предсказывает теория относительности, причём в этом эксперименте пришлось учитывать не только скорость самолёта, но и эффект общей теории относительности от разной высоты над земной поверхностью, поскольку гравитация тоже влияет на ход часов. А сегодня относительность встроена буквально в карман каждого из нас: спутники системы GPS летают достаточно быстро и достаточно высоко, чтобы релятивистские поправки - и специальная, и общая - накапливали ощутимую ошибку, если их не учитывать; без коррекции на эти эффекты навигационные системы за сутки накопили бы погрешность в несколько километров, и вся система спутникового позиционирования попросту не работала бы с нужной точностью.
Спустя всего три года после статьи Эйнштейна, в 1908 году, его бывший преподаватель математики в Цюрихе Герман Минковский предложил взгляд, который сам Эйнштейн поначалу воспринял довольно прохладно, назвав излишней математической роскошью, - а потом сам же стал использовать этот язык как совершенно необходимый инструмент. Минковский показал, что специальную теорию относительности удобнее всего представлять не как теорию о том, как пространство и время по отдельности искажаются в зависимости от скорости наблюдателя, а как теорию о едином четырёхмерном многообразии, пространстве-времени, в котором три пространственных измерения и время объединены в единую геометрическую структуру. Знаменитая фраза из его доклада в Кёльне звучит примерно так: отныне пространство само по себе и время само по себе обречены превратиться в тени, и лишь некое единство их обоих сохранит независимую реальность. В этой картине то, что один наблюдатель воспринимает как чисто временной промежуток, другой, движущийся с иной скоростью, воспринимает частично как пространственный, и наоборот - совершенно так же, как поворот в обычном трёхмерном пространстве смешивает координаты «вперёд» и «вбок», хотя каждая ось сама по себе не меняется. Величина, которая остаётся неизменной при таких поворотах в пространстве-времени, - это так называемый интервал, комбинация пространственного расстояния и временного промежутка между событиями, и именно интервал, а не отдельно взятое расстояние или отдельно взятое время, оказывается настоящим, абсолютным, не зависящим от наблюдателя свойством пары событий. Это, пожалуй, самая глубокая мысль во всей теории: относительность не означает «всё относительно и ничего не абсолютно», как её иногда легкомысленно пересказывают, - напротив, теория относительности как раз указывает, что именно остаётся неизменным, абсолютным, объективным, когда меняется точка зрения наблюдателя, а что оказывается лишь проекцией этого абсолютного на конкретную, произвольно выбранную систему координат.
Именно из этой геометрической картины родилась одна из самых давних и до сих пор не разрешённых философских дискуссий, которая волнует не столько физиков, сколько философов физики, - спор между презентизмом и этернализмом, то есть между представлением, что реально существует только настоящий момент, а прошлое уже исчезло, а будущее ещё не наступило, и представлением, что все моменты времени - прошлое, настоящее и будущее - существуют одинаково реально, просто мы, находясь внутри этой четырёхмерной структуры, воспринимаем их последовательно, как страницы уже написанной книги, которые читатель переворачивает одну за другой, хотя вся книга целиком уже существует в переплёте. Этот второй взгляд принято называть блочной вселенной, и у него есть весьма серьёзный аргумент в защиту: если одновременность относительна, то есть разные наблюдатели законно не соглашаются о том, что происходит «сейчас» в удалённой точке пространства, то само понятие универсального, общего для всех «настоящего момента» теряет физический смысл, а вместе с ним теряет опору и презентизм, для которого это понятие принципиально важно. Аргумент этот, известный как аргумент Ритдейка-Патнэма, вот уже полвека обсуждается на страницах философских журналов, и лагерь философов, отстаивающих презентизм, вынужден идти на довольно хитрые терминологические манёвры, чтобы примирить интуитивно очевидное ощущение текущего, становящегося настоящего с математикой, которая как будто такого выделенного настоящего вообще не предусматривает. Заметьте, что сама физика тут в некотором смысле умывает руки: уравнения работают одинаково хорошо что при этернализме, что при более изощрённых версиях презентизма, и выбор между ними - это выбор метафизической интерпретации одной и той же математики, а не разница в предсказаниях, которую можно было бы проверить экспериментом.
Существует и по-настоящему еретическое, маргинальное, но исторически любопытное направление скептицизма в отношении самой теории - не тривиальные возражения дилетантов, которых, конечно, всегда хватало, а вполне серьёзный, хоть и в конечном счёте ошибочный, вызов, брошенный профессиональным философом науки Гербертом Дингле в шестидесятых годах прошлого века. Дингл, в молодости сам преподававший теорию относительности и писавший о ней учебники, к концу жизни пришёл к убеждению, что в парадоксе близнецов кроется настоящее логическое противоречие: если движение относительно, рассуждал он, то с равным правом можно сказать, что это Земля движется относительно ракеты, а значит, симметрия должна сохраняться и предсказание о том, кто из близнецов окажется моложе, логически некорректно. Дингл писал многочисленные письма в научные журналы, требуя от физического сообщества либо признать теорию ошибочной, либо объяснить ему лично, в чём его рассуждение неверно, и в итоге получил вполне исчерпывающий ответ - та самая асимметрия, о которой уже шла речь: разворот ракеты нарушает равноправие систем отсчёта, поскольку лишь один из близнецов испытывает ускорение, и именно это делает предсказание однозначным, а вовсе не произвольным выбором, какую систему считать «движущейся». История с Дингл поучительна не тем, что показывает глупость критика - он был человеком образованным и задавал вопрос по существу, - а тем, насколько легко даже подготовленному уму соскользнуть с общей теории относительности движения, где скорость и впрямь относительна, на утверждение, что относительны и все физические эффекты без разбора, включая те, что связаны с ускорением и сменой инерциальной системы отсчёта. Похожая, хотя и куда более тонкая головоломка - парадокс Белла с двумя ракетами, соединёнными нитью и стартующими одновременно и с одинаковым ускорением в системе отсчёта наблюдателя на земле: нить, вопреки интуиции многих физиков, порвётся, потому что расстояние между ракетами в их собственной, мгновенно сопутствующей системе отсчёта растёт, хотя в системе земного наблюдателя оно остаётся постоянным, - и этот пример показывает, насколько аккуратно нужно обращаться с понятием «одновременно», когда речь заходит об ускоряющихся телах.
Стоит сказать и о том, что существует до сих пор живая, хотя и очень маргинальная в физическом сообществе, неолоренцевская интерпретация теории относительности, которая пытается вернуть на сцену нечто вроде эфира или, по крайней мере, выделенной системы отсчёта, недоступной прямому наблюдению, но математически эквивалентной эйнштейновской картине во всех проверяемых предсказаниях. Сторонники этого подхода - как правило, это философы физики, а не действующие исследователи в области экспериментальной физики, - указывают, что раз обе интерпретации дают идентичные, неотличимые предсказания, то выбор между ними, строго говоря, не является чисто физическим вопросом и относится скорее к философии науки, к вопросу о том, какую метафизическую нагрузку теория обязана нести помимо голой предсказательной силы. Подавляющее большинство физиков относится к этой дискуссии скорее равнодушно, считая её образцовым примером метафизики без эмпирического содержания, а эйнштейновская интерпретация побеждает не потому, что она единственно возможна логически, а потому, что она проще, элегантнее и не требует введения принципиально ненаблюдаемых сущностей - принцип, известный как бритва Оккама, здесь работает в полную силу.
И, пожалуй, самое важное, ради чего вообще стоит рассказывать эту историю не только физикам, а всем вообще: специальная теория относительности при всей своей математической строгости - это глубоко человеческий урок о том, как устроено само познание. Ньютоновское время казалось людям очевидным не потому, что было тщательно проверено на всех масштабах, а потому, что совпадало с обыденным опытом медленных скоростей, при которых релятивистские поправки исчезающе малы и совершенно неощутимы, - при скоростях автомобиля или даже реактивного самолёта разница между эйнштейновским и ньютоновским временем настолько мала, что ни один прибор до конца девятнадцатого века просто не мог бы её заметить. Природа обманывала нас не со зла, а просто потому, что человеческий опыт эволюционно сформировался в узком диапазоне скоростей и масштабов, и наша интуиция, прекрасно работающая на этом диапазоне, оказывается совершенно ненадёжным гидом там, где начинаются скорости, сравнимые со скоростью света. Специальная теория относительности учит уважать не столько формулы сами по себе, сколько ту интеллектуальную смелость, с которой нужно быть готовым отбросить самое незыблемое, самое очевидное, самое, казалось бы, не требующее доказательств представление о мире, если эксперимент - вроде того самого несостоявшегося эфирного ветра в Кливленде - упрямо отказывается его подтверждать. Время оказалось не сценой, на которой разворачиваются события, а полноправным участником этих событий, вплетённым в саму ткань происходящего, - и осознать это по-настоящему, прочувствовать всем существом, а не просто выучить формулу для сокращения Лоренца, значит увидеть мир немного иначе, чем видели его наши бабушки и дедушки, и в этом, кажется, и состоит истинная, ничем не заменимая радость понимания.








