Особенности национального часть 90
Особенности национального часть 90
В 1902 г. мало кто мог бы предсказать, что молодой физик Альберт Эйнштейн будет признан величайшим физиком со времен Исаака Ньютона. Скорее, наоборот, этот год стал одним из самых неудачных в его жизни. Свежеиспеченный кандидат на получение степени доктора философии не смог поступить на преподавательскую должность ни в одном из университетов, в которые обращался. (Позже он узнал, что его профессор Генрих Вебер написал для него ужасные рекомендательные письма, возможно, в отместку за многочисленные занятия, сорванные по вине строптивого студента.) Мало того, мать Эйнштейна была настроена категорически против его подружки Милевы Марич, которая в тот момент была беременна его ребенком. В результате их первая дочь Лизерль родилась вне брака. Не везло молодому Альберту и с временной работой — внезапно его уволили даже с жалкой должности подменного учителя. В тоскливых письмах того времени встречаются размышления о том, не заняться ли ему торговлей, чтобы заработать на жизнь. Он даже пишет родным, что лучше бы ему никогда не родиться, — ведь он тяжкая обуза для семьи и не имеет никаких шансов на успех в жизни. Когда умер его отец, Эйнштейн испытал стыд; отец умер, считая сына полным неудачником.
Но чуть позже в том же 1902 г. удача повернулась к Эйнштейну лицом. Друг помог ему поступить экспертом в Швейцарское патентное бюро. Именно на этом скромном посту он и начал величайшую революцию современной физики. Анализ изобретений не занимал много времени, и Эйнштейн часами размышлял о проблемах физики, которые занимали его с детства.
В чем секрет его гения? Возможно, одной из ключевых черт таланта Эйнштейна была его способность думать в терминах физической картины (представлять себе движущиеся поезда, ускоряющиеся часы, растянутое полотно и т. п.), а не чистой математики. Сам Эйнштейн однажды сказал, что, если некую теорию нельзя объяснить ребенку, она, скорее всего, бесполезна; это значит, что суть теории должна выражаться той самой физической картиной. Сколько физиков заблудились в дебрях математики, которая сама по себе никуда не ведет! Но Эйнштейн, как прежде Ньютон, не мог без физической картины; математика появлялась потом. Для Ньютона физическую картину олицетворяли падающее яблоко и Луна. Одни и те же силы заставляют яблоко падать, а Луну ходить по своей орбите или разные? Когда Ньютон решил, что эти силы идентичны, он выстроил математическое здание Вселенной и неожиданно раскрыл величайшую тайну небес, законы движения самих небесных тел.
Эйнштейн и относительность
Альберт Эйнштейн предложил знаменитую теорию относительности в 1905 г. В центре его теории — картинка, понятная даже ребенку. Эта теория стала ярчайшим выражением мечты, владевшей Эйнштейном с 16 лет; он тогда задал себе судьбоносный вопрос: что произойдет, если обогнать луч света? Уже юношей он знал, что движение объектов на Земле и в небесах подчиняется механике Ньютона, а свет описывается теорией Максвелла. На тот момент вся физика стояла именно на этих двух столпах.
Эйнштейн первым понял, что ?столпы? противоречат друг другу; может быть, в этом и состоит сущность его гения. Один из столпов должен был пасть.
Согласно Ньютону, обогнать свет можно без особого труда — ведь ни сам свет, ни его скорость не представляют собой ничего особенного. Это означало, что если вы будете нестись рядом с лучом света со скоростью, равной его скорости, то луч в вашей системе координат остановится. Но Эйнштейн еще в юности понял, что никто никогда не видел неподвижной световой волны — и вообще непонятно, как ее можно остановить. А значит, решил он, механика Ньютона здесь не работает.
В конце концов Эйнштейн нашел ответ на этот вопрос; он был тогда студентом в Цюрихе и изучал теорию Максвелла. Он обнаружил факт, которого не знал даже Максвелл: что скорость света постоянна и не зависит от скорости вашего движения. Не важно, будете ли вы нестись прочь от светового луча или догонять его, сам он будет двигаться с прежней скоростью, но это, вообще говоря, противоречит здравому смыслу. Эйнштейн нашел ответ на свой детский вопрос: невозможно лететь рядом со световым лучом, потому что он всегда удаляется от вас с одинаковой скоростью, как бы быстро ни двигались вы сами.
Но ньютонова механика — сложная система с прочными и жесткими связями: если потянуть за свободный кончик, т.е. хоть немного изменить исходные данные, вся система рассыплется. В теории Ньютона время в любой точке Вселенной течет одинаково. Одна секунда на Земле в точности равна одной секунде на Марсе или Венере. Точно так же метр на Земле имеет в точности ту же длину, что метр на Плутоне. Но если предположить, что скорость света постоянна и не зависит от скорости движения наблюдателя, то надо полностью менять представления о пространстве и времени. Чтобы скорость света оставалась постоянной, и пространство, и время необходимо было серьезно исказить.
Согласно Эйнштейну, если вы находитесь в быстро летящем космическом корабле, ход времени в нем замедляется по отношению к земному времени. Время в корабле и на Земле идет с разной скоростью, в зависимости от того, насколько быстро движется корабль. Мало того, пространство внутри корабля сжимается, и в зависимости от скорости его движения метр может изменять свою длину, а масса корабля увеличивается. Если бы мы заглянули в такой космический корабль, скажем, при помощи телескопа, мы бы увидели, что часы идут медленно, и люди — сплющенные по ходу движения корабля — двигаются тоже замедленно.
Вообще говоря, если бы ракета летела со скоростью света, то время в ней, по всей видимости, остановилось бы, сама она схлопнулась бы до нулевой длины, а масса ее стала бы бесконечной. Поскольку все это представляется невыполнимым и противоречит здравому смыслу, Эйнштейн объявил, что световой барьер преодолеть невозможно. (Тот факт, что объект становится тем тяжелее, чем быстрее он движется, означает, что энергия движения переходит в массу. Точное количество энергии, которая при этом превращается в массу, посчитать несложно — всего за несколько строк преобразований можно получить знаменитое уравнение Е = mc2.)
С тех пор как Эйнштейн вывел свое прославленное уравнение, его революционные идеи нашли подтверждение буквально в миллионах экспериментов. К примеру, система GPS, способная определить ваше положение на Земле с точностью до нескольких метров, не сможет работать, если не вводить в нее релятивистские поправки. (Поскольку военные теперь тоже зависят от системы GPS, физикам пришлось вводить в курс теории относительности Эйнштейна даже генералов Пентагона.) Часы GPS действительно замедляются при движении спутников по орбите, как и предсказывал Эйнштейн.
Самое наглядное подтверждение справедливости этой концепции можно найти в ускорителях, где ученые разгоняют частицы до околосветовых скоростей, На гигантском ускорителе CERN, построенном в Швейцарии недалеко от Женевы, — Большом адронном коллайдере — протоны ускоряются до нескольких триллионов электрон-вольт и приближаются вплотную к скорости света.
Для ученого-ракетчика световой барьер пока не представляет насущной проблемы, ведь скорости современных ракет составляют всего лишь 10-15 км/с. Но лет через сто или двести, когда ученые всерьез задумаются об отправке зондов к ближайшей звезде (которую отделяют от Земли четыре с небольшим световых года), световой барьер, скорее всего, постепенно превратится в проблему.
Лазейки в теории Эйнштейна
Несколько десятилетий физики пытаются отыскать в знаменитом постулате Эйнштейна хоть какие-то лазейки. Кое-что удалось обнаружить, но в большинстве своем эти лазейки не слишком полезны практически. К примеру, если провести по небосводу лучом фонарика, то в принципе световой зайчик от луча может двигаться быстрее света. За несколько секунд образ светового луча проходит расстояние между противоположными точками горизонта, составляющее, вообще говоря, сотни световых лет. Но это не имеет значения, так как таким образом невозможно передать какую бы то ни было информацию. Получается, что образ светового луча превысил скорость света, но образ как таковой не несет ни энергии, ни информации.
Точно так же, если взглянуть на ножницы, то можно заметить, что точка встречи лезвий движется тем быстрее, чем дальше мы уходим от ?гвоздика?. Если представить себе ножницы длиной, скажем, в один световой год, то при их закрывании точка встречи лезвий будет двигаться быстрее света. (Это опять же не имеет значения, так как точка встречи лезвий не несет ни энергии, ни информации, а значит, таким образом невозможно ничего передать.)
Еще пример. Как я уже упоминал в главе 4, эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) в принципе позволяет посылать информацию со скоростью, превышающей скорость света. (Напомню: в этом эксперименте два электрона, которые колеблются в унисон, увозят затем в противоположных направлениях. Поскольку эти электроны когерентны, информация между ними может передаваться со скоростью, превышающей скорость света, но эта информация случайна и потому бесполезна. Поэтому ЭПР-машины невозможно использовать для отправки зондов к далеким звездам.)
Физики считают, что на самую важную лазейку в своей теории указал сам Эйнштейн. В 1915 г. он создал общую теорию относительности, еще более мощную, чем специальная теория относительности. Первые ростки новой теории возникли у Эйнштейна, когда он наблюдал за движением детской карусели. Как мы уже говорили, при приближении к скорости света объекты сжимаются. Чем быстрее мы движемся, тем сильнее сжимаемся. Но во вращающемся диске внешние слои движутся быстрее, чем внутренние. (А центр практически остается на месте.) Это означает, что линейка, помещенная на край диска, должна будет сжаться, а такая же линейка ближе к центру останется почти неизменной, — а значит, поверхность карусели будет уже не плоской, а вогнутой. Сделаем вывод; ускорение карусели искривляет на ней пространство и время.
В общей теории относительности пространство-время можно сравнить с полотном, которое может сжиматься и растягиваться. При определенных обстоятельствах это полотно может растягиваться быстрее скорости света. К примеру, представьте себе Большой взрыв — 13,7 млрд лет назад в гигантском космическом взрыве родилась наша Вселенная. Можно подсчитать, что первоначально Вселенная расширялась быстрее скорости света. (Это не противоречит специальной теории относительности, так как расширялось пустое — межзвездное — пространство, а не сами звезды. Расширение пустого пространства не несет никакой информации.)
Самое важное в этой ситуации то, что специальная теория относительности применима только локально, т.е. в ближайшей окрестности наблюдателя. В нашей ближайшей окрестности (к примеру, в Солнечной системе) она работает, в чем мы легко можем убедиться по данным наших космических зондов. Но глобально (т.е. в космологическом масштабе, в масштабе Вселенной) мы должны пользоваться не специальной, а общей теорией относительности. В ней пространство-время превращается в ткань, и ткань эта способна растягиваться быстрее света. Кроме того, она допускает существование ?пространственных дыр?, которые позволяют мгновенно преодолевать пространство и время.
Значит, один из способов путешествовать быстрее скорости света — воспользоваться общей теорией относительности. Сделать это можно двумя способами.
1. Растянуть пространство. Если бы мы научились растягивать пространство позади себя и сжимать пространство впереди, впечатление бы возникло такое, как будто мы переместились из одного места в другое быстрее света. На самом деле мы не двигались бы вообще. Но деформация пространства впереди и позади корабля позволила бы нам в мгновение ока добраться до отдаленных звезд.
2. Разорвать пространство. В 1935 г. Эйнштейн ввел понятие ?кротовая нора?. Представьте себе зеркало Алисы — волшебное устройство, соединяющее между собой окрестности Оксфорда и Страну чудес. Кротовая нора — это ?устройство?, способное служить связующим звеном между двумя вселенными. В школе мы узнали, что кратчайшее расстояние между двумя точками — прямая. Но это не обязательно так; если свернуть лист бумаги так, чтобы точки соединились, то кратчайшим расстоянием между ними как раз и станет кротовая нора.
Как говорит физик Мэтт Виссер из Вашингтонского университета, ?сообщество релятивистов задумалось о том, что нужно сделать, чтобы вывести двигатель деформации пространства или кротовые норы из категории научной фантастики?.
А сэр Мартин Рис, королевский астроном Великобритании, говорит даже так: ?Кротовые норы, дополнительные измерения и квантовые компьютеры открывают путь для множества гипотетических сценариев, которые когда-нибудь, возможно, превратят всю нашу Вселенную в "живой космос"?.
В 1902 г. мало кто мог бы предсказать, что молодой физик Альберт Эйнштейн будет признан величайшим физиком со времен Исаака Ньютона. Скорее, наоборот, этот год стал одним из самых неудачных в его жизни. Свежеиспеченный кандидат на получение степени доктора философии не смог поступить на преподавательскую должность ни в одном из университетов, в которые обращался. (Позже он узнал, что его профессор Генрих Вебер написал для него ужасные рекомендательные письма, возможно, в отместку за многочисленные занятия, сорванные по вине строптивого студента.) Мало того, мать Эйнштейна была настроена категорически против его подружки Милевы Марич, которая в тот момент была беременна его ребенком. В результате их первая дочь Лизерль родилась вне брака. Не везло молодому Альберту и с временной работой — внезапно его уволили даже с жалкой должности подменного учителя. В тоскливых письмах того времени встречаются размышления о том, не заняться ли ему торговлей, чтобы заработать на жизнь. Он даже пишет родным, что лучше бы ему никогда не родиться, — ведь он тяжкая обуза для семьи и не имеет никаких шансов на успех в жизни. Когда умер его отец, Эйнштейн испытал стыд; отец умер, считая сына полным неудачником.
Но чуть позже в том же 1902 г. удача повернулась к Эйнштейну лицом. Друг помог ему поступить экспертом в Швейцарское патентное бюро. Именно на этом скромном посту он и начал величайшую революцию современной физики. Анализ изобретений не занимал много времени, и Эйнштейн часами размышлял о проблемах физики, которые занимали его с детства.
В чем секрет его гения? Возможно, одной из ключевых черт таланта Эйнштейна была его способность думать в терминах физической картины (представлять себе движущиеся поезда, ускоряющиеся часы, растянутое полотно и т. п.), а не чистой математики. Сам Эйнштейн однажды сказал, что, если некую теорию нельзя объяснить ребенку, она, скорее всего, бесполезна; это значит, что суть теории должна выражаться той самой физической картиной. Сколько физиков заблудились в дебрях математики, которая сама по себе никуда не ведет! Но Эйнштейн, как прежде Ньютон, не мог без физической картины; математика появлялась потом. Для Ньютона физическую картину олицетворяли падающее яблоко и Луна. Одни и те же силы заставляют яблоко падать, а Луну ходить по своей орбите или разные? Когда Ньютон решил, что эти силы идентичны, он выстроил математическое здание Вселенной и неожиданно раскрыл величайшую тайну небес, законы движения самих небесных тел.
Эйнштейн и относительность
Альберт Эйнштейн предложил знаменитую теорию относительности в 1905 г. В центре его теории — картинка, понятная даже ребенку. Эта теория стала ярчайшим выражением мечты, владевшей Эйнштейном с 16 лет; он тогда задал себе судьбоносный вопрос: что произойдет, если обогнать луч света? Уже юношей он знал, что движение объектов на Земле и в небесах подчиняется механике Ньютона, а свет описывается теорией Максвелла. На тот момент вся физика стояла именно на этих двух столпах.
Эйнштейн первым понял, что ?столпы? противоречат друг другу; может быть, в этом и состоит сущность его гения. Один из столпов должен был пасть.
Согласно Ньютону, обогнать свет можно без особого труда — ведь ни сам свет, ни его скорость не представляют собой ничего особенного. Это означало, что если вы будете нестись рядом с лучом света со скоростью, равной его скорости, то луч в вашей системе координат остановится. Но Эйнштейн еще в юности понял, что никто никогда не видел неподвижной световой волны — и вообще непонятно, как ее можно остановить. А значит, решил он, механика Ньютона здесь не работает.
В конце концов Эйнштейн нашел ответ на этот вопрос; он был тогда студентом в Цюрихе и изучал теорию Максвелла. Он обнаружил факт, которого не знал даже Максвелл: что скорость света постоянна и не зависит от скорости вашего движения. Не важно, будете ли вы нестись прочь от светового луча или догонять его, сам он будет двигаться с прежней скоростью, но это, вообще говоря, противоречит здравому смыслу. Эйнштейн нашел ответ на свой детский вопрос: невозможно лететь рядом со световым лучом, потому что он всегда удаляется от вас с одинаковой скоростью, как бы быстро ни двигались вы сами.
Но ньютонова механика — сложная система с прочными и жесткими связями: если потянуть за свободный кончик, т.е. хоть немного изменить исходные данные, вся система рассыплется. В теории Ньютона время в любой точке Вселенной течет одинаково. Одна секунда на Земле в точности равна одной секунде на Марсе или Венере. Точно так же метр на Земле имеет в точности ту же длину, что метр на Плутоне. Но если предположить, что скорость света постоянна и не зависит от скорости движения наблюдателя, то надо полностью менять представления о пространстве и времени. Чтобы скорость света оставалась постоянной, и пространство, и время необходимо было серьезно исказить.
Согласно Эйнштейну, если вы находитесь в быстро летящем космическом корабле, ход времени в нем замедляется по отношению к земному времени. Время в корабле и на Земле идет с разной скоростью, в зависимости от того, насколько быстро движется корабль. Мало того, пространство внутри корабля сжимается, и в зависимости от скорости его движения метр может изменять свою длину, а масса корабля увеличивается. Если бы мы заглянули в такой космический корабль, скажем, при помощи телескопа, мы бы увидели, что часы идут медленно, и люди — сплющенные по ходу движения корабля — двигаются тоже замедленно.
Вообще говоря, если бы ракета летела со скоростью света, то время в ней, по всей видимости, остановилось бы, сама она схлопнулась бы до нулевой длины, а масса ее стала бы бесконечной. Поскольку все это представляется невыполнимым и противоречит здравому смыслу, Эйнштейн объявил, что световой барьер преодолеть невозможно. (Тот факт, что объект становится тем тяжелее, чем быстрее он движется, означает, что энергия движения переходит в массу. Точное количество энергии, которая при этом превращается в массу, посчитать несложно — всего за несколько строк преобразований можно получить знаменитое уравнение Е = mc2.)
С тех пор как Эйнштейн вывел свое прославленное уравнение, его революционные идеи нашли подтверждение буквально в миллионах экспериментов. К примеру, система GPS, способная определить ваше положение на Земле с точностью до нескольких метров, не сможет работать, если не вводить в нее релятивистские поправки. (Поскольку военные теперь тоже зависят от системы GPS, физикам пришлось вводить в курс теории относительности Эйнштейна даже генералов Пентагона.) Часы GPS действительно замедляются при движении спутников по орбите, как и предсказывал Эйнштейн.
Самое наглядное подтверждение справедливости этой концепции можно найти в ускорителях, где ученые разгоняют частицы до околосветовых скоростей, На гигантском ускорителе CERN, построенном в Швейцарии недалеко от Женевы, — Большом адронном коллайдере — протоны ускоряются до нескольких триллионов электрон-вольт и приближаются вплотную к скорости света.
Для ученого-ракетчика световой барьер пока не представляет насущной проблемы, ведь скорости современных ракет составляют всего лишь 10-15 км/с. Но лет через сто или двести, когда ученые всерьез задумаются об отправке зондов к ближайшей звезде (которую отделяют от Земли четыре с небольшим световых года), световой барьер, скорее всего, постепенно превратится в проблему.
Лазейки в теории Эйнштейна
Несколько десятилетий физики пытаются отыскать в знаменитом постулате Эйнштейна хоть какие-то лазейки. Кое-что удалось обнаружить, но в большинстве своем эти лазейки не слишком полезны практически. К примеру, если провести по небосводу лучом фонарика, то в принципе световой зайчик от луча может двигаться быстрее света. За несколько секунд образ светового луча проходит расстояние между противоположными точками горизонта, составляющее, вообще говоря, сотни световых лет. Но это не имеет значения, так как таким образом невозможно передать какую бы то ни было информацию. Получается, что образ светового луча превысил скорость света, но образ как таковой не несет ни энергии, ни информации.
Точно так же, если взглянуть на ножницы, то можно заметить, что точка встречи лезвий движется тем быстрее, чем дальше мы уходим от ?гвоздика?. Если представить себе ножницы длиной, скажем, в один световой год, то при их закрывании точка встречи лезвий будет двигаться быстрее света. (Это опять же не имеет значения, так как точка встречи лезвий не несет ни энергии, ни информации, а значит, таким образом невозможно ничего передать.)
Еще пример. Как я уже упоминал в главе 4, эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) в принципе позволяет посылать информацию со скоростью, превышающей скорость света. (Напомню: в этом эксперименте два электрона, которые колеблются в унисон, увозят затем в противоположных направлениях. Поскольку эти электроны когерентны, информация между ними может передаваться со скоростью, превышающей скорость света, но эта информация случайна и потому бесполезна. Поэтому ЭПР-машины невозможно использовать для отправки зондов к далеким звездам.)
Физики считают, что на самую важную лазейку в своей теории указал сам Эйнштейн. В 1915 г. он создал общую теорию относительности, еще более мощную, чем специальная теория относительности. Первые ростки новой теории возникли у Эйнштейна, когда он наблюдал за движением детской карусели. Как мы уже говорили, при приближении к скорости света объекты сжимаются. Чем быстрее мы движемся, тем сильнее сжимаемся. Но во вращающемся диске внешние слои движутся быстрее, чем внутренние. (А центр практически остается на месте.) Это означает, что линейка, помещенная на край диска, должна будет сжаться, а такая же линейка ближе к центру останется почти неизменной, — а значит, поверхность карусели будет уже не плоской, а вогнутой. Сделаем вывод; ускорение карусели искривляет на ней пространство и время.
В общей теории относительности пространство-время можно сравнить с полотном, которое может сжиматься и растягиваться. При определенных обстоятельствах это полотно может растягиваться быстрее скорости света. К примеру, представьте себе Большой взрыв — 13,7 млрд лет назад в гигантском космическом взрыве родилась наша Вселенная. Можно подсчитать, что первоначально Вселенная расширялась быстрее скорости света. (Это не противоречит специальной теории относительности, так как расширялось пустое — межзвездное — пространство, а не сами звезды. Расширение пустого пространства не несет никакой информации.)
Самое важное в этой ситуации то, что специальная теория относительности применима только локально, т.е. в ближайшей окрестности наблюдателя. В нашей ближайшей окрестности (к примеру, в Солнечной системе) она работает, в чем мы легко можем убедиться по данным наших космических зондов. Но глобально (т.е. в космологическом масштабе, в масштабе Вселенной) мы должны пользоваться не специальной, а общей теорией относительности. В ней пространство-время превращается в ткань, и ткань эта способна растягиваться быстрее света. Кроме того, она допускает существование ?пространственных дыр?, которые позволяют мгновенно преодолевать пространство и время.
Значит, один из способов путешествовать быстрее скорости света — воспользоваться общей теорией относительности. Сделать это можно двумя способами.
1. Растянуть пространство. Если бы мы научились растягивать пространство позади себя и сжимать пространство впереди, впечатление бы возникло такое, как будто мы переместились из одного места в другое быстрее света. На самом деле мы не двигались бы вообще. Но деформация пространства впереди и позади корабля позволила бы нам в мгновение ока добраться до отдаленных звезд.
2. Разорвать пространство. В 1935 г. Эйнштейн ввел понятие ?кротовая нора?. Представьте себе зеркало Алисы — волшебное устройство, соединяющее между собой окрестности Оксфорда и Страну чудес. Кротовая нора — это ?устройство?, способное служить связующим звеном между двумя вселенными. В школе мы узнали, что кратчайшее расстояние между двумя точками — прямая. Но это не обязательно так; если свернуть лист бумаги так, чтобы точки соединились, то кратчайшим расстоянием между ними как раз и станет кротовая нора.
Как говорит физик Мэтт Виссер из Вашингтонского университета, ?сообщество релятивистов задумалось о том, что нужно сделать, чтобы вывести двигатель деформации пространства или кротовые норы из категории научной фантастики?.
А сэр Мартин Рис, королевский астроном Великобритании, говорит даже так: ?Кротовые норы, дополнительные измерения и квантовые компьютеры открывают путь для множества гипотетических сценариев, которые когда-нибудь, возможно, превратят всю нашу Вселенную в "живой космос"?.
Метки:
