Фритьоф Капра Дао физики
Глава 12. ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ
жүктеу/скачать 1.23 Mb.
|
Глава 12. ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯСовременная физика самым драматическим образом подтвердила одно из основных положений восточного мистицизма, смысл которого заключается в том, что все используемые нами для описания природы понятия ограничены, что они являются не свойствами действительности, как кажется нам, а продуктами мышления — частями карты, а не местности. При любом расширении сферы наших знаний становится очевидной ограниченность возможностей рационального мышления, и нам приходится изменить некоторые из наших понятий, или даже отказаться от них. Наши представления о пространстве и времени накладывают большой отпечаток на всю картину мира. Они упорядочивают вещи и явления, которые окружают нас в повседневной жизни, а также при попытках науки и философии объяснить мир. Нет такого закона физики, который можно сформулировать без понятий пространства и времени. Одной из величайших революций в истории науки стало значительное изменение этих основополагающих понятий благодаря теории относительности. Классическая физика исходила из представлений об абсолютном, трехмерном пространстве, существующем независимо от содержащихся в нем материальных объектах и подчиняющемся законам евклидовой геометрии, и о времени как о самостоятельном измерении, которое носит, опять же, абсолютный характер и течет с одинаковой скоростью, независимо от материального мира. На Западе эти представления стали настолько неотъемлемой частью всего мировоззрения философов и ученых, что в них видели истинные и несомненные свойства природы. Уверенность в том, что геометрия внутренне присуща природе, а не нашим представлениям о ней, берет начало в греческой философии. Демонстративная геометрия представляла собой основной раздел греческой математики и оказала сильное воздействие на греческую философию. Греческая философия усвоила ее метод построения теорем на основе принятых на веру без доказательства аксиом при помощи дедукции, и поэтому геометрия лежала в основе любой умственной деятельности, и обучение философии включало в себя геометрию. Говорят, что на воротах Академии Платона в Афинах было выбито изречение: "Вам не позволяется заходить сюда, если вы не сведущи в геометрии". Греки считали, что их математические теоремы были выражениями вечных неоспоримых истин, а геометрические формы воплощают в себе абсолютную красоту. Геометрия считалась совершенным соединением логического и прекрасного, и поэтому ей приписывалось божественное происхождение. Отсюда и афоризм Платона: "Бог-это геометр". Поскольку геометрия рассматривалась в качестве божественного откровения, нет ничего странного в том, что греки считали, что небеса имеют правильную геометрическую форму. Это означало, что небесные тела движутся по окружностям. Для того, чтобы сделать картину еще более геометричной, считалось, что каждое из них закреплено на концентрической хрустальной сфере. Сферы должны были двигаться как единое целое, и в центре этого движения находилась Земля. В последующее время греческая геометрия продолжала оказывать влияние на западную философию и науку. До начала нашего века "Элементы" Евклида использовались в европейских школах в качестве учебника, и на протяжении более чем двух тысячелетий считалось, что евклидова геометрия отражает истинную сущность пространства. Для того, чтобы заставить ученых и философов признать, что законы геометрии не присущи природе изначально, а обязаны формулированием человеку, нужен был "целый" Эйнштейн. По словам Генри Маргенау, "Основное открытие теории относительности заключается в том, что геометрия... — продукт деятельности интеллекта. Только при условии признания этого факта наш рассудок может отказаться от устаревших представлений о времени и пространстве, исследовать возможности их нового определения и избрать ту формулировку, которая не противоречит наблюдениям" [68,250]. В отличие от греческой, восточная философия всегда утверждала, что пространство и время — порождение ума. Восточные мистики относятся к ним точно так же, как ко всем интеллектуальным понятиям — как к относительным, ограниченным и иллюзорным. Так, в одном из буддийских сочинений говорится: "О монахи, Будда учил, что... прошлое, будущее, физическое пространство... и личность. все это — лишь имена, формы мышления, общеупотребительные слова, попросту искусственная, вымышленная действительность" [59,198]. Поэтому на Дальнем Востоке геометрии не было суждено приобрести такой вес, как в древней Греции, что, впрочем, не означает, что индийцы и китайцы не имели о ней никакого представления. Они использовали ее при строительстве храмов совершенных геометрических форм, измеряя землю и составляя карту звездного неба, но не для того, чтобы выражать в геометрической форме вечные абстрактные истины. Да и древняя восточная наука не считала нужным вместить все явления природы в жесткую схему из прямых линий и окружностей. Слова Джозефа Нидэма о китайской астрономии представляют собой интерес в этом отношении: "Китайцы-астрономы не считают нужным объяснять явления геометрически: по их мнению, все организмы, составляющие всеобщий организм, следуют своему Дао в соответствии со своей природой, а их движения могут быть описаны в терминах "непоказательной", по своей сущности, алгебры. Таким образом, китайцам было не знакомо такое отношение к окружности, которое бытовало в Европе, как и средневековая тюрьма хрустальных сфер" [60, 458]. Итак, древние восточные философы и ученые считали, что геометрические построения не являются абсолютными и неизменными характеристиками природы, будучи продуктом деятельности рассудка. Теория относительности исходила из такого же представления о геометрии. По словам Ашвагхоши, "Да будет известно всем, что понятие пространства — лишь одно из порождений разграничивающего сознания, что за ним не стоит никакой реальности... Пространство существует только по отношению к нашему разграничивающему сознанию" [2,107]. То же самое можно сказать о понятии времени. Восточные мистики считают, что эти понятия — — понятия пространства и времени — привязаны к определенным состояниям сознания. Медитация позволяла им выйти за пределы обычного состояния и осознать, что условные и относительные представления о пространстве и времени не представляют собой высшей истины. Новые, более совершенные понятия пространства и времени, которые возникают в результате мистического опыта, во многом напоминают понятия, которыми оперирует современная физика, и в частности, теория относительности. Как же теория относительности описывает пространство и время? В чем новизна ее подхода? Она исходит из того факта, что все измерения в пространстве и времени относительны. Конечно, об относительности пространственных координат было известно и раньше. Задолго до Эйнштейна люди поняли, что положение любого объекта в пространстве может быть определено только по отношению к какому-либо другому объекту. Это обычно делается при помощи трех координат и точки отсчета, которую мы можем назвать "положение наблюдателя". Для того, чтобы доказать относительность такой системы координат на конкретном примере, возьмем двух наблюдателей, удобно расположившихся в воздушном пространстве и созерцающих зонтик (рис. 16). Для наблюдателя А картина выглядит следующим образом: зонтик находится слева от него в слегка наклоненном положении, так что ближе к нему его верхний конец. С другой стороны, наблюдатель В видит зонтик справа от себя, и дальше от него расположен верхний конец. Если мы распространим заключение, сделанное на основе примера с двумя измерениями, на трехмерное пространство, мы увидим, как "слева", "справа", "наверху", "внизу", "под наклоном" и т. д., — определяются положением наблюдателя в пространстве, а значит, являются относительными. Однако со временем в классической физике было совершенно другое положение. Считалось, что последовательность событий во времени не зависит от конкретных наблюдателей. Такие временные понятия, как "до", "после" или "одновременно", рассматривались имеющими абсолютное значение, не зависящее от какой-либо системы координат. Эйнштейн обнаружил, что все временные характеристики тоже относительны и зависят от конкретного наблюдателя. В повседневной жизни мы привыкли думать, что последовательность событий носит универсальный характер. Это убеждение порождено тем, что скорость света в сравнении с любой другой знакомой нам скоростью чрезвычайно высока, и мы можем считать, что наблюдаем явления в тот момент, когда они происходят. Однако это не совсем так. Свету требуется некоторое время для того, чтобы преодолеть расстояние между объектом и наблюдателем. Как правило, этот промежуток времени очень невелик, и перемещение света можно считать мгновенным; однако в том случае, если наблюдатель движется с высокой скоростью относительно наблюдаемых явлений, промежуток времени между событием и его наблюдением играет решающую роль при определении последовательности событий. Эйнштейн осознавал, что в таком случае наблюдатели, движущиеся с различными скоростями, будут располагать события во времени по-разному. Для того, чтобы прийти к этому выводу, нужно помнить о том, что скорость света одинакова для всех наблюдателей. Два явления, происходящие одновременно для одного наблюдателя, могут происходить в различной последовательности для других. При обычных скоростях эти различия так малы, что их нельзя выявить, однако если скорости приближаются к скорости света, это приводит к возникновению эффектов, которые можно без труда измерить. Относительность времени проявляется и подтверждается многочисленными экспериментами физики высоких энергий, где событиями являются взаимодействия движущихся почти со скоростью света частиц. Отметим, что в последнем случае наблюдатель в лаборатории неподвижен, но наблюдаемые им частицы движутся с различными скоростями. Результат тот же самый. Важно движение наблюдателя относительно объекта. Не имеет значения, что движется относительно лаборатории — наблюдатель или объект. Относительность времени тоже заставляет нас отказаться от ньютоновского абсолютного пространства. Считалось, что это пространство в каждый определенный момент содержит каким-то определенным образом распределенную материю; однако сейчас мы знаем, что нет абсолютного времени, что какой-либо момент времени может быть определен только для одного наблюдателя в какой-то определенный момент, однако для остальных наблюдателей оно может произойти раньше или позже этого момента. Поэтому мы не можем говорить о "Вселенной в некоторый момент" в абсолютном смысле, и абсолютного пространства, существующего независимо от наблюдателя, тоже не может быть. Так, теория относительности показала, что все изменения в пространстве и времени утрачивают абсолютное значение, и заставила нас отказаться от классических понятий пространства и времени. Исключительное значение этого открытия раскрыто в следующих словах Менделя Закса: "Истинно революционное содержание теории Эйнштейна в том, что... она отрицает объективный характер пространственно-временной системы координат. Теория относительности утверждает, что пространственные и временные координаты — лишь элементы языка, которым пользуется наблюдатель, описывающий окружающую среду" [66,53]. Это явление, сделанное современным физиком, обнаруживает близкое сходство представлений о времени и пространстве, которые, как уже говорилось выше, считают, что пространство и время — "всего лишь имена, формы мышления, общеупотребительные слова". Поскольку вследствие этого пространству и времени отводится лишь субъективная роль элементов языка, которым тот или иной наблюдатель пользуется при описании явлений природы, каждый наблюдатель будет описывать явления по-своему. Для того, чтобы вывести на основании их описания универсальные законы природы, им придется сформулировать эти законы таким образом, чтобы они имели одну и ту же форму во всех системах координат, то есть для всех наблюдателей в относительном движении. Это требование, известное как принцип относительности, послужило отправной точкой для всей теории относительности. Интересно, что в шестнадцать лет Эйнштейн осознал существование парадокса, который в зародыше содержал в себе теорию относительности. Он попытался представить себе, каким бы увидел луч света наблюдатель, передвигающийся в направлении луча со скоростью света, и пришел к выводу о том, что этот наблюдатель увидел бы электромагнитное поле, колеблющееся назад и вперед, не продвигаясь в каком-либо направлении, то есть не образуя волны. Эйнштейн понял, что то, что будет хорошо известным электромагнитным явлением для одного наблюдателя, для другого окажется явлением, которое противоречит законам физики, и не мог понять этого. На склоне лет Эйнштейн осознал, что принцип относительности можно удовлетворительно применять в описании электромагнитных явлений только тогда, когда все пространственные и временные составляющие относительны. Законы механики, которые управляют явлениями, связанными с движением тел, и законы электродинамики, теории электричества и магнетизма можно сформулировать в общепринятых "относительных" рамках, которые включают время в свои трехмерные координаты в качестве четвертой координаты, рассматриваемой наблюдателем как относительной. Для того, чтобы проверить, удовлетворяет ли описание принципу относительности, то есть выглядят ли уравнения теории одинаково во всех системах координат, нужно провести все обозначения пространственного и временного положения из одной системы координат в другую. Такие операции перевода, или трансформации, были хорошо известны и широко использовались в классической физике. На рис. 16 мы видим, что каждая из двухкоординат наблюдателя А (одна горизонтальная и одна вертикальная, как обозначают линии со стрелками) представлена в виде суммы двух координат наблюдателя В, и наоборот. Элементарная геометрия позволяет вычислить точные соотношения координат двух наблюдателей. В релятивистской физике ситуация изменяется, так как к трем пространственным координатам добавляется координата времени — четвертого измерения. Поскольку переход от одной системы координат к другой предусматривает, что каждая координата одной системы в другой системе выражается при помощи суммы координат, пространственная координата одной системы предстает в виде суммы координат пространства и времени. Эта ситуация действительно является совершенно новой. Любое изменение системы координат смешивает пространство и время точно определяемым в математическом отношении образом. Их уже нельзя отделить друг от друга: то, что для одного наблюдателя является пространством, для другого будет соединением пространства и времени. Теория относительности обнаружила, что пространство не трехмерно, а время не самостоятельно. Будучи тесно и неразрывно связанны, они образуют четырехмерный континуум, который называется "пространство-время". Понятие пространства-времени было впервые употреблено Германом Минковским в 1908 году в его знаменитой лекции: "Воззрения на природу пространства и времени, которые я хочу изложить, взросли на почве экспериментальной физики, и именно в этом их сила. Они радикальны. Поэтому пространство само по себе, как и время само по себе, обречены на то, чтобы отойти в прошлое, и независимой действительностью является только их соединение" [25, 75]. Представление о пространстве и времени настолько важны при описании природных явлений, что при их изменении меняется весь подход к описанию природы. При этом новом подходе пространство и время рассматриваются на одном и том же основании и считаются неразделимыми. Когда в релятивистской физике мы говорим о пространстве, мы не можем не говорить о времени, и наоборот. Нужно использовать новый подход при участии высоких скоростей в описываемых явлениях. Задолго до создания теории относительности астрономы уже обнаружили в одном контексте тесную связь пространства и времени. Астрономы и астрофизики имеют дело с очень большими расстояниями, и поэтому для них важным является тот факт, что свету требуется определенное время для того, чтобы переместиться от наблюдаемого объекта к наблюдателю. Поскольку скорость света не является бесконечно большой, наблюдатель видит не настоящее положение небесных тел, а то, каким оно было некоторое время назад. Свет проходит расстояние между Солнцем и Землей за восемь минут, и поэтому мы, когда бы ни взглянули на Солнце, всегда увидим его таким, каким оно было восемь минут назад. Подобно этому, мы видим ближайшую звезду такой, какой она была четыре года тому назад, а мощные телескопы позволяют нам наблюдать за процессами, которые происходили в других галактиках миллионы лет тому назад. Безусловно, астрономические наблюдения только бы выиграли в том случае, если бы скорость света стала мгновенной, но и в том, что это не так, содержится положительный элемент. Благодаря этому астрономы могут наблюдать эволюцию звезд, их скоплений и галактик на всех стадиях. Разнообразные явления, происходившие на протяжении миллионов лет, можно сейчас наблюдать в определенных участках неба. Потому астрономы хорошо знают о важном значении связи пространства и времени. Открытие теории относительности заключается в том, что эта связь важна не только при наличии больших расстояний, но и при наличии высоких скоростей. Даже на Земле измерение зависит от времени, учитывая состояние движения наблюдателя. Объединение пространства и времени приводит к возникновению связи между другими основополагающими понятиями физики. Это наиболее характерная черта релятивистского подхода. Понятия, которые в нерелятивистской физике рассматриваются как совершенно независимые, при таком подходе выглядят лишь как различные стороны одного и того же понятия. Это особенность релятивистского подхода характеризует совершенство его математического метода. Многолетние исследования в области теории относительности помогли нам познать ее математическое совершенство, но наша интуиция до сих пор здесь беспомощна. Мы не можем наглядно представить себе четырехмерное пространство-время, как и все остальные релятивистские понятия. Когда мы сталкиваемся с явлениями природы, в которых принимают участие скорости, близкие к скорости света, у нас всегда возникают затруднения. Такие явления сложно представить себе и описать при помощи обычного языка. Например, классическая физика признает, что длины движущегося и покоящегося стержня одинаковы. Однако теория относительности обнаружила ложность этого утверждения. Длина объекта зависит от его движения относительно наблюдателя и изменяется в зависимости от скорости. Это изменение таково: объект сокращается в направлении движения. 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 используются эксперименты, в которых частицы сталкиваются на таких больших скоростях что сплющиваются и приобретают форму блина. Важно понимать, что вопрос об "истинной" длине объекта не имеет смысла, как и вопрос об истинной длине вашей тени. Тень — это проекция точек, находящихся в трехмерном пространстве, на двухмерную плоскость, и ее длина зависит от угла проецирования. Точно так же длина движущегося объекта — это проекция точек, находящихся в четырехмерном пространстве-времени, в трехмерном пространстве, и его длина зависит от выбора системы координат. Что верно для пространственных измерений, то верно и для интервалов времени. Они тоже зависят от выбора системы координат, но, в отличие от расстояний в пространстве, они увеличиваются при увеличении скорости. Это означает, что движущиеся часы ходят медленнее, время замедляется. Часы могут быть какими угодно: механическими, атомными, биением человеческого сердца. Если бы один из близнецов отправился в головокружительное путешествие через космос, то, вернувшись домой, он оказался бы моложе своего брата, так как все его "часы": сердцебиение, кровообращение, нервные импульсы и т.д. — замедлились бы во время путешествия (с точки зрения человека на поверхности Земли). Однако сам путешествеиник не заметил бы этого, и лишь по возвращении обнаружил бы, что брат старше его. Возможно, этот "парадокс близнецов" — самый известный парадокс современной физики. Он много обсуждался в научных журналах, и еще не все дискуссии по этому поводу завершились. Красноречивое доказательство того, что реальность, описанная теорией относительности, не может быть воспринята и объяснена с помощью наших обычных понятий. Замедление хода часов при движении, каким бы невероятным оно ни казалось, находит подтверждение в физике частиц. Большая часть субатомных частиц неустойчива: через некоторое время они распадаются на несколько других частиц. Многочисленные эксперименты подтвердили тот факт, что продолжительность существования такой неустойчивой частицы зависит от скорости ее движения относительно наблюдателя. (Видимо, здесь стоит упомянуть об одной технической детали. Когда мы говорим о продолжительности существования некоторого вида субатомных частиц, мы всегда имеем в виду среднюю величину. Об отдельных частицах мы ничего не знаем в силу статистического характера субатомного мира). Частицы, движущиеся со скоростью, равной восьми-десяти процентам от скорости света, существуют примерно в 1,7 раза дольше, чем их медлительные "близнецы", а на скорости, равной девяноста девяти процентам от скорости света, они существуют примерно в семь раз дольше. Опять же, это не означает, что изменяется внутренне присущая частицам продолжительность существования. С точки зрения частицы, продолжительность ее существования постоянна, но с точки зрения наблюдателя в лаборатории "внутренние часы" частицы замедлили свой ход, и поэтому время ее существования увеличилось. Все эти релятивистские выводы кажутся странными лишь потому, что мы не можем воспринимать четырехмерный мир пространства-времени при помощи наших чувств, наблюдая лишь его трехмерные "фотографии". Трехмерные образцы выглядят по-разному в разных системах координат, движущиеся предметы не похожи на покоящиеся; часы, двигаясь, замедляют свой ход. Эти выводы кажутся нам парадоксальными лишь потому, что мы не осознаем, что все эти неожиданные эффекты — лишь последствия проекции четырехмерных явлений в трехмерном мире наших чувств, подобно тому, как тени — лишь проекции трехмерных предметов. Если бы мы могли увидеть, услышать — ощутить при помощи данных нам чувств четырехмерное пространство-время, парадоксы исчезли бы навсегда. Как уже говорилось ранее, восточные мистики, очевидно, способны достигать необычных состояний сознания, в которых они выходят за пределы трехмерного мира повседневной жизни и воспринимают более высокую многомерную реальность. Так, Ауробиндо говорит о "неуловимом изменении, которое дает зрительную способность в некоем четвертом измерении" [3, 993). Измерения в этих состояниях сознания могут отличаться от измерений релятивистской физики, однако поразительно, что мистики разделяют взгляды на пространство и время, которые очень близки к релятивистским. Все развитие восточного мистицизма обнаруживает удивительное единство в вопросе о неразделимом "пространственно-временном" характере действительности. Они вновь и вновь подчеркивают тот факт, что пространство и время неразрывно связаны (вспомним: ведь теория относительности говорит о том же). Видимо, наиболее ясное выражение эти интуитивные представления о пространстве и времени получили в буддизме, в частности, в школе Аватамсака буддизма Махаяны. "Аватамсака-сутра", на котором основано учение Этой школы, содержит яркое описание мировосприятия, достигаемого в момент просветления. Эта сутра упоминает об особом ощущении "взаимопроникновения пространства и времени" — прекрасное обозначение сущности пространства — времени — которое рассматривается в качестве важнейшей характеристики просветления. По словам Д. Т. Судзуки, "Можно осознать значение "Аватамсаки" и ее философию только в том случае, если мы однажды достигнем состояния, в котором наше "я" полностью растворяется, и исчезают разграничения между телом и сознанием, субъектом и объектом... каждая вещь связана с остальными вещами... не только в пространственном, но и во временном отношении... Мы невооруженным глазом видим, что не существует пространства без времени и времени без пространства — они пронизывают друг друга" [76, 33]. Вряд ли можно лучше описать релятивистское понятие пространства-времени. Сравнивая утверждение Судзуки со словами Минковского, процитированными выше, интересно отметить, что оба они — и физик, и буддист — подчеркивают тот факт, что их представления о пространстве-времени имеют эмпирическое происхождение и подтверждаются в одном случае — научными экспериментами, в другом — мистическим опытом. Мне кажется, что восточный мистицизм, с его вниманием ко времени, более близок к современным научным воззрениям на природу, чем древнегреческая философия. В целом, древнегреческая натурфилософия была статичной и, в основном, исходила из геометрических соображений. Можно сказать, что она была совершенно не релятивистской, и одной из причин, обусловившей возникновение у нас серьезных концептуальных сложностей при восприятии релятивистских моделей современной физики, видимо, является сильное влияние, оказанное ею на западную философию. Восточные философские системы — это, напротив, философии "пространства-времени", и их положения, опирающиеся на интуицию, довольно близки к современным релятивистским теориям. Мировоззрение современной физики и восточного мистицизма характеризуется большим динамизмом, и его основополагающими компонентами являются понятия времени и изменчивости, так как и физики, и мистики утверждают, что пространство и время пронизывают друг друга. Представление о времени и изменениях будут подробно описаны в следующей главе, которая посвящена второму из основных направлений сравнения физики с мистицизмом (первым таким направлением было освещение представления о единстве всего сущего). По мере рассмотрения релятивистских моделей и теорий современной физики мы увидим, что все они могут служить красочными иллюстрациями к двум основным постулатам восточного мировоззрения об основополагающем единстве Вселенной и о ее динамической сущности. Теория относительности в том виде, в котором мы имели с ней дело до сих пор, называется "специальной теорией относительности". Она подводит единую основу под описание движения тел, электричества и магнетизма. Основные характеристики ее подхода — относительность времени и пространства и их объединение под именем четырехмерного пространства-времени. "Общая теория относительности" применяет подход специальной теории также по отношению к гравитации. Согласно общей относительности, гравитация должна искривлять пространство-время. И наглядно представить себе, как это может происходить, опять же, непросто. Мы можем без труда представить себе искривленную трехмерную поверхность — такую, как, например, поверхность яйца, — поскольку мы можем видеть такие искривленные поверхности в трехмерном пространстве. Получается, что слово "искривление" имеет четко определенное значение для двухмерных искривленных поверхностей, но наше воображение отказывается справиться с ситуацией, когда дело доходит до трехмерного пространства, не говоря уже о четырехмерном пространстве-времени. Поскольку мы не можем посмотреть на трехмерное пространство "снаружи", мы не можем представить себе, как оно может быть "искривлено в том или ином направлении". Для того, чтобы понять значение искривленного пространства-времени, воспользуемся в качестве аналогии двухмерными поверхностями. Представим себе, скажем, поверхность шара. Здесь основным моментом, который позволяет нам применить эту аналогию по отношению к пространству-времени, является тот факт, что кривизна есть необходимое свойство самой поверхности и может быть измерена без перехода в трехмерное пространство. Двухмерное насекомое, находящееся в плоскости поверхности шара и не знающее о существовании трехмерного пространства, способно, тем не менее, обнаружить, что поверхность, на которой оно находится, искривлена, при том условии, что ему доступны простейшие геометрические измерения. Для того, чтобы узнать, к каким результатам это может привести, сравним геометрию нашего жучка на шаре, с геометрией точно такого же насекомого, живущего на плоской поверхности (рис. 17). Представим, что два жучка начинают свои геометрические изыскания, проводя прямую линию, которая определена как кратчайшее расстояние между двумя точками. Результаты получатся различные, мы видим, что жучок на плоскости провел очень красивую ровную линию, но что же получилось у его приятеля? Линия, которую он провел на поверхности шара, для него действительно соответствует кратчайшему расстоянию между двумя точками, поскольку любая другая линия оказалась бы длиннее; но для нас это дуга большой окружности, если быть точными. Теперь предположим, что жучки приступили к изучению треугольников. Один из них обнаружит, что сумма всех углов треугольника на плоскости соответствует ста восьмидесяти градусам, а другой найдет, что на поверхности шара сумма трех углов всегда превышает эту величину (рис. 18). В небольших треугольниках это превышение незначительно, но оно увеличивается с ростом самого треугольника, так что наш жучок может построить на поверхности шара даже треугольник с тремя прямыми углами. Теперь пускай жучки построят на своих поверхностях окружности и измерят их длину. Один из них придет к выводу о том, что на плоскости любая окружность равна удвоенному произведению радиуса на число "пи", вне зависимости от величины круга. Другой, напротив, заметит, что на поверхности шара длина любой окружности меньше, чем это произведение. Как видно на рисунке 19, наша трехмерная точка зрения позволяет нам увидеть, что то, что жучок называет радиусом своего круга, на самом деле является дугой, которая всегда длинней настоящего радиуса. По мере дальнейшего продвижения этих двух насекомых-геометров, один из них будет обнаруживать, что на плоскости действуют законы геометрии Евклида, но его партнер откроет совсем другие законы. Для небольших геометрических фигур разница будет не очень значительной, однако по мере их увеличения будет увеличиваться и разница. На примере двух жучков мы видим, что при помощи геометрических измерений на плоскости и их последующего сопоставления с результатами евклидовой геометрии всегда можно определить, искривлена ли данная поверхность. Если обнаруживается расхождение, поверхность искривлена, и чем больше расхождение, тем значительней это искривление (при том условии, что размер фигур на плоскости и сферической поверхности одинаков). Точно таким же образом мы можем определить, что в некотором искривленном трехмерном пространстве перестают действовать законы евклидовой геометрии. В таком пространстве геометрические законы будут другого, "неевклидова" характера. Такая "неевклидова" геометрия была разработана в девятнадцатом веке математиком Георгом Риманном в качестве абстрактного математического построения, и оно оставалось таковым до тех пор, пока Эйнштейн не сделал свое революционное заявление о том, что трехмерное пространство, в котором мы живем, искривлено. Согласно теории Эйнштейна, искривление пространства вызвано гравитационными полями тяжелых тел. Рядом с любым тяжелым объектом пространство искривляется, и степень этого искривления, то есть несоответствия данного участка пространства законам евклидовой геометрии, зависит от величины массы этого объекта. Уравнения, описывающие соотношения между искривлением пространства и распределением материи в этом пространстве, называются уравнениями поля Эйнштейна. При их помощи можно не только определить степень искривленности пространства вблизи от звезд и планет, но и выяснить, существует ли всеобщее, крупномасштабное искривление пространства. Одним словом, уравнение Эйнштейна позволяет определить структуру Вселенной как целого. К сожалению, они могут быть решены не единственным способом. Возможно несколько вариантов решения таких уравнений, каждый из которых представляет модель строения Вселенной, рассматриваемую в космологии (некоторые из них будут охарактеризованы в следующей главе). Главная задача современной космологии — определить, которая из моделей наилучшим образом описывает строение нашей Вселенной. Поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, искривление, вызванное гравитацией, имеет место не только в трехмерном пространстве, но и в четырехмерном пространстве-времени, поскольку именно об этом говорит нам общая теория относительности. В искривленном пространстве-времени искажения затрагивают не только пространственные соотношения, описываемые геометрией, но и продолжительность промежутков времени. Время здесь течет с другой скоростью, отличающейся от течения времени в "плоском пространстве-времени", и скорость изменяется вместе со степенью искривления пространства в зависимости от наличия вблизи тяжелых тел. Однако важно не выпускать из виду то обстоятельство, что изменения в скорости течения времени может заметить только такой наблюдатель, который удален от часов, фиксирующих эти изменения. Если же наблюдатель отправится в некоторое место, где время течет медленнее, все его часы тоже замедлили бы ход, и он потерял бы всякую надежду измерить эффект. Здесь, на Земле, гравитация воздействует на пространство и время крайне незначительно, но в астрофизике, которая имеет дело с телами исключительно большой массы — такими, как планеты, звезды и галактики, — искривление пространства-времени является чрезвычайно важным фактором. До сих пор все наблюдения в данной области подтверждали правильность выводов Эйнштейна и вселяли в нас уверенность в том, что пространство-время в самом деле искривлено. Наиболее своеобразным проявлением искривления представляются процессы, происходящие во время гравитационной гибели звезд. Согласно современной астрофизике, каждая звезда достигнет определенного этапа своего развития, на котором она прекращает свое существование вследствие взаимного гравитационного притяжения частиц, составляющих ее. Поскольку, по мере сокращения расстояния между частицами, это притяжение резко возрастает, процесс уничтожения получает ускорение, и если звезда обладает достаточно большой массой, что означает, что ее масса не менее, чем в два раза больше массы Солнца, ни один известный нам процесс не может предотвратить гибель звезды, которая, к тому же, будет происходить совершенно непредсказуемым образом. По мере того, как звезда уменьшается в размерах, увеличивая свою плотность, гравитация на ее поверхности проявляется все сильнее и сильнее, и пространство-время вблизи нее искривляется. Благодаря возрастанию гравитации на поверхности звезды становится все сложнее и сложнее удалить что-либо от нее, и в результате звезда достигает такой стадии, на которой ничто, включая свет, не может оторваться от ее поверхности. На этой стадии мы говорим, что вокруг звезды формируется "событийный горизонт", поскольку ни один сигнал не способен донести до окружающего мира известия о том, что происходит на поверхности звезды. Пространство, окружающее звезду, очень сильно искривлено, и даже свет не может вырваться из этой тюрьмы. Мы не можем увидеть такую звезду, поскольку ее свет не может дойти до нас. По этой причине такие звезды называются "черными дырами". Существование "черных дыр" было предсказано уже в 1916 году, и об этом впоследствии вспомнили в связи с недавно открытыми звездными явлениями, которые могут косвенно доказать существование "черных дыр", так как свидетельствуют о том, что тяжелая звезда движется по орбите вокруг некоего невидимого объекта, который может представлять собой "черную дыру". "Черные дыры" принадлежат к числу наиболее загадочных и необычных объектов, исследуемых современной астрофизикой, и служат иллюстрацией действия теории относительности. Сильная искривленность пространства-времени в районе черной дыры не только не позволяет лучам света достичь нас, но также оказывает значительное влияние на время. Если бы на поверхности звезды, которая приближается к своей гибели, находились часы, доступные нашему зрению, то мы увидели бы, что течение времени на циферблате этих часов постепенно замедляется по мере того, как звезда приближается к своей гибели, а когда звезда превращается в "черную дыру" показания часов вообще перестанут доходить до нас со светом. Для стороннего наблюдателя поток времени на поверхности звезды замедляется по мере продвижения звезды к гибели и полностью останавливается на уровне событийного горизонта. Поэтому можно утверждать, что процесс абсолютной гибели звезды бесконечен. Однако с самой звездой в момент достижения ею событийного горизонта ничего особенного не происходит. Течение времени остается тем же, и через некоторый, конечный период времени звезда прекращает свое существование, сокращаясь до размеров точки, имеющей невероятно большую плотность. Итак, сколько времени занимает продвижение звезды к гибели — бесконечность или некоторый промежуток времени? В мире теории относительности такой вопрос просто не имеет никакого смысла. Продолжительность существования гибнущей звезды, как и все прочие промежутки времени, относительна и зависит от системы координат, выбранной наблюдателем. Общая теория относительности полностью отказывается от классических представлений о пространстве и времени, как о категориях, имеющих абсолютную и самостоятельную природу. Относительны не только все измерения в пространстве и времени, зависящие от состояния движения наблюдателя, но и сама структура пространства-времени определяется тем или иным распределением вещества во Вселенной. В различных частях Вселенной пространство характеризуется той или иной степенью искривленности, и время течет с разной скоростью. Таким образом, мы приходим к выводу о том, что наши представления о трехмерном евклидовом пространстве и о линейном времени коренятся в области наших повседневных знаний о физическом мире и оказываются бесполезными за пределами этой области. Восточные мудрецы тоже говорят о том, что переход к более высоким состояниям сознания обогащает человеческое восприятие, и признают, что одной из неотъемлемых характеристик необычных состояний сознания является радикально новый подход к понятиям времени и пространства. Они подчеркивают не только тот факт, что медитация открывает путь в многомерное пространство, но и тот факт, что при этом исчезает привычное ощущение хода времени. Вместо линейной последовательности отдельных мгновений они имеют дело с бесконечным, безвредным и, тем не менее, динамически настоящим — по их собственным утверждениям. В приведенных ниже отрывках три восточных мистика рассуждают о восприятии этого "вечного сейчас": даосский мудрец Чжуан-цзы, шестой патриарх дзэн Хуэйнэн и современный исследователь буддизма Д. Т. Судзуки. "Забудем о течении времени; забудем о противостоянии суждений. Обратимся к бесконечности и займем свое место в ней" [17, гл. 2]. ЧЖУАН-ЦЗЫ "Абсолютное спокойствие — это мгновение настоящего, хотя оно заключено в этом моменте, этот момент не имеет границ, и в этом — вечное наслаждение" [79,201]. ХУЭЙ-НЭН "В этом духовном мире не существует разграничения времени на прошлое, настоящее и будущее: они сливаются в одном единственном мгновении животрепещущего бытия... Этот момент озарения содержит в себе прошлое и будущее, но не стоит на месте со всем своим содержимым, а находится в непрестанном движении" [73, 148]. Д. Т. СУДЗУКИ Практически невозможно рассказать об ощущении бесконечности и безвременности настоящего, поскольку слова типа "безвременный", "настоящее", "прошлое", "мгновение" и т. д. относятся к довольно условным представлениям о времени. Поэтому очень сложно осознать истинное значение выше приведенных высказываний мистиков, однако современная физика, опять же, может нам помочь, изобразив графически, каким образом ее теории преодолевают ограниченность обычных представлений о времени. В релятивистской физике история объекта — скажем, частицы — может быть запечатлена на так называемом "пространственно-временном графике" (см. рис. 20). На этих графиках горизонтальная ось соответствует пространству (точнее, одному из его измерений: двумя остальными приходится пренебречь для того, чтобы можно было изобразить график на плоскости), а вертикальная — времени. Путь частицы в пространстве-времени называется ее "мировой линией". Если частица покоится, она, тем не менее, движется во времени, и ее мировая линия в данном случае представляет собой вертикальную линию. Если частица перемещается в пространстве, ее мировая линия становится наклонной: чем значительней наклон, тем выше скорость частицы. Заметим, что во времени частицы могут двигаться только вверх, в то время как в пространстве они способны перемещаться как вправо, так и влево. Их мировые линии могут приближаться к горизонтали, но никогда не совпадают с последней, так как это означало бы, что перемещение частицы от одной точки в другую происходит мгновенно. Пространственно-временные графики используются в релятивистской физике для изображения взаимодействия между различными частицами. Для каждого процесса можно построить описывающий его график и вывести математическую формулу, характеризующую вероятность данного процесса. Так, процесс столкновения или "рассеивания" электрона и протона можно представить в виде графика на рис. 21. Этот график прочитывается следующим образом (снизу вверх согласно течению времени): Электрон, обозначенный как еиз-за своего отрицательного заряда, сталкивается с фотоном, обозначенным как "гамма"; электрон поглощает фотон, продолжая движение с несколько изменившейся скоростью (на графике это отражается при помощи изменения угла наклона мировой линии); через некоторое время электрон испускает фотон, и восстанавливает первоначальное направление движения. Теория, рассматривающая эти пространственно-временные графики и сопровождающие их математические формулы, называется квантовой теорией поля и является одной из самых важных релятивистских теорий современной физики, к рассмотрению которых мы перейдем позднее. Для продолжения разговора о пространственно-временных графиках нам достаточно познакомиться с двумя наиболее характерными особенностями этой теории, первая из которых заключается в том, что все взаимодействия сводятся к возникновению и исчезновению частиц, как, например, к поглощению и последующему испусканию фотона, изображенному на нашем графике; вторая имеет отношение к принципиальной симметричности частиц и античастиц. Для каждой частицы существует аналогичная античастица с такой же массой и противоположным зарядом. Так, античастица электрона называется "позитрон" и обычно обозначается как е+. Для фотона, не имеющего электрического заряда, античастицей будет сам фотон. Фотон может спонтанно распадаться на позитрон и электрон, а последние, в свою очередь, могут объединиться и образовать фотон при обратном процессе аннигиляции. Существует уловка, которая позволяет существенно упростить пространственно-временные графики. Стрелка на мировой линии используется в данном случае не для обозначения направления движения частицы, так как очевидно, что все частицы движутся во времени вперед, а по графику (рис. 20), соответственно, вверх. Стрелка используется для того, чтобы провести различие между частицами и античастицами: если стрелка направлена вверх, мы имеем дело с частицей (например, с электроном), а если она указывает вниз, перед нами — античастица (соответственно, позитрон). Фотон, который является античастицей сам для себя, мы будем обозначать линией без стрелки. Внеся эту модификацию, мы можем смело отказаться от всех подписей на графике, не рискуя при этом впасть в ошибку: все линии со стрелками обозначают электроны, все линии без стрелок — фотоны. Для дальнейшего упрощения графика нам следует отказаться от осей координат пространства и времени, памятуя о том, что ось времени имеет направление снизу вверх, а продвижение в пространстве направлено слева направо. В результате пространственно-временной график, изображающий столкновение фотона с электроном, приобретает следующий вид (см. рис. 22): Для того, чтобы построить график, изображающий столкновение фотона с позитроном, требуется только изменить направление стрелок (см. рис. 23): До сих пор мы не встретили на пространственновременных графиках ничего необычного. Мы читали их снизу вверх, следуя подсказке наших условных представлений о линейном течении времени. Однако дело принимает совсем другой, неожиданный оборот при построении графиков столкновения фотона с позитроном. Математические формулы теории поля предоставляют возможность двоякой интерпретации подобного графика: на нем можно увидеть либо позитроны, перемещающиеся во времени вперед, или же электроны, ПЕРЕМЕЩАЮЩИЕСЯ ВО ВРЕМЕНИ НАЗАД! В математическом отношении эти два варианта абсолютно идентичны: движение античастицы из прошлого в будущее и движение частицы из будущего в прошлое выражаются при помощи одной и той же формулы. Следовательно, мы можем утверждать, что два наших графика (рис. 24) — один и тот же процесс, разворачивающийся во времени в различных направлениях. На обоих графиках мы вправе увидеть столкновение фотона и электрона, и разница между ними будет заключаться только в том, что в первом случае частицы движутся во времени вперед, а во втором случае — в противоположном направлении. (Прерывистые линии всегда обозначают движение фотона, вне зависимости от направления его движения во времени, так как античастицей для фотона является он сам). Следовательно, в релятивистской теории взаимодействия частиц мы обнаруживаем полную временную симметрию. Для каждого процесса существует точно такой же процесс, развертывающийся в обратном направлении во времени, в котором принимают участие античастицы. Правда, последние экспериментальные данные позволяют сделать предположение о том, что это положение, по всей видимости, не может быть применено к специфическому процессу, носящему название "сверхслабого взаимодействия". За этим единственным исключением, все остальные взаимодействия частиц обнаруживают принципиальную симметричность во временном отношении. Рассмотрим процесс, изображенный на рис. 25, для того, чтобы убедиться в том, что эта удивительная особенность мира субатомных частиц оказывает самое сильное воздействие на наши представления о пространстве и времени. При традиционном прочтении графика, снизу вверх, мы интерпретируем его следующим образом: электрон е~, изображенный сплошной линией, сближается с фотоном, изображенным пунктиром; в точке А фотон преобразуется в электронно-позитронную пару, электрон удаляется вправо, а позитрон — влево; затем позитрон сталкивается с первым электроном в точке В, происходит процесс аннигиляции, результатом которого является возникновение фотона, движущегося влево. Этот процесс можно рассмотреть и как взаимодействие двух фотонов с одним и тем же электроном, дважды изменяющим направление своего движения во времени. В последнем случае мы руководствуемся указаниями стрелок на линии электрона на всем протяжении его пути; электрон перемещается в точку В, испускает фотон и начинает двигаться в прошлое до точки А; здесь он поглощает исходный фотон и снова начинает двигаться в будущее. В определенном смысле, второй вариант гораздо проще первого, так как в нем мы имеем дело с мировой линией одной частицы. С другой стороны, при этом мы сталкиваемся с серьезными языковыми проблемами. Электрон перемещается "сначала" в точку В, а "потом" в точку А; тем не менее, поглощение фотона в точке А предшествует эмиссии другого фотона в точке В. Этих сложностей можно избежать, если рассматривать пространственно-временные графики не в качестве отображения продвижения частиц во времени, а в качестве четырехмерных пространственно-временных паттернов, изображающих ряд взаимосвязанных событий, не имеющих четко определенной временной последовательности. Поскольку все частицы могут перемещаться во времени вперед и назад, точно также, как в пространстве им доступны перемещения как вправо, так и влево, будет, по меньшей мере, нелогично интерпретировать эти графики в терминах однонаправленности времени. Эти графики представляют собой четырехмерные пространственно-временные картины, к которым не применимо понятие последовательности во времени: "Все то, что каждый из нас воспринимает как прошлое, настоящее и будущее, в пространстве-времени оказывается слитым воедино... Наблюдатель сталкивается с различными гранями пространства-времени и видит в них сменяющие друг друга явления материального мира, хотя на самом деле нерасчленимая слитая целостность всех явлений, составляющих пространство-время, предшествует его восприятию наблюдателем" [68.144]. Именно в этом заключается точное значение понятия "пространство-время" в релятивистской физике. Пространство и время эквивалентны друг другу; вместе они составляют четырехмерный континуум, в котором взаимодействия частиц могут развертываться в любых направлениях. Для изображения этих взаимодействий нам нужно сделать четырехмерную "фотографию", отображающую весь интересующий нас временной промежуток, равно как и область пространства. Для правильного понимания релятивистского мира частиц мы должны "забыть меру времени", как говорит Чжуанцзы. Поэтому пространственно-временные графики теории поля представляют собой важную аналогию к пространственно-временным ощущениям восточных мистиков. Несомненность существования такой аналогии становится еще более очевидной после знакомства с замечаниями Ламы Говинды по поводу медитации в буддизме: "Говоря о пространстве-времени применительно к медитации, мы имеем в виду совершенно самостоятельное измерение... При таком восприятии пространственно-временная последовательность преобразуется в одновременность существования различных вещей бок о бок друг с другом... которое, в свою очередь, тоже не остается неподвижным, но превращается в непрерывный временной континуум, в котором пространство и время сливаются друг с другом" [31,116]. Хотя физики для описания неразрывно связанных взаимодействий пользуются математическими формулами и графиками в четырехмерном пространстве-времени, они говорят, что в реальной действительности наблюдатель не может воспринимать явления иначе, кроме как в форме последовательности различных эпизодов пространства-времени, то есть в форме временной последовательности. Мистики же, напротив, утверждают, что им доступно истинное непосредственное восприятие всего пространственно-временного континуума, внутри которого не существует течения времени. Так, дзэнский наставник Догэн говорит: "Многие верят, что время проходит, но фактически оно остается там, где есть. Представление о "прохождении" можно назвать "временем", но это — ложное представление, ибо если зришь его только как прохождение, то не сможешь понять, что оно остается там, где есть" [42, 140]. Многие восточные наставники подчеркивают тот факт, что мышление должно развиваться во времени, в то время как зрительное восприятие способно преодолевать барьер времени. "Зрительное восприятие,-говорит Говинда, — связано с пространством более высокого измерения, а следовательно, свободно от уз времени" [17, 270]. Пространство-время релятивистской физики представляет собой именно такое пространство, более высокого измерения, лишенное оков времени. Все явления, происходящие в нем, связаны друг с другом, но эти связи не носят причинно-следственного характера. Взаимодействия частиц могут быть описаны в терминах причин и следствий только в том случае, если мы читаем графики пространства-времени, последовательно двигаясь в том или ином направлении, например, снизу вверх. Если же видеть в них пространственно-временные паттерны без той или иной временной направленности, такие понятия, как "до" и "после", исчезают, и нет уже никакой причинностной связи. Сходным образом восточные мистики утверждают, что преодоление уз времени позволяет им оказаться в мире, в котором не существует ни причин, ни следствий. Подобно общепринятым представлениям о пространстве и времени, понятие причинности уместно только в рамках суженного, ограниченного мировосприятия. При расширении мировосприятия оно должно быть отвергнуто. Как говорит Свами Вивекананда, "Время, пространство и причинность похожи на стекло, сквозь которое мы смотрим на Абсолют... В самом же Абсолюте нет ни времени, ни пространства, ни причинности". Восточные духовные традиции предлагают своим последователям различные способы освобождения от привычного ощущения времени и от оков причинноследственных связей — от уз "КАРМЫ", как выражаются индуисты и буддисты. По этой причине восточный мистицизм получил наименование "освобождения от времени". В определенном смысле, такое определение подходит и для релятивистской физики. жүктеу/скачать 1.23 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|