Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы - Хайно Фальке

Таким образом, мы всегда все измеряем с помощью света (а для меня, например, существует только то, что я могу измерить). Если это утверждение верно, то мы можем сказать, что Вселенная без света вообще бы не существовала. Пространство и время, материя и наши ощущения – все они, по сути, ничто без света[37].

Концепция важности измерений в определении понятия реальности пронизывает всю физику ХХ века. Но даже сегодня она представляется крайне революционной. Она – ключ как к теории относительности, так и к квантовой механике, поскольку и в квантовой физике основополагающей является та же самая идея: реальностью становится лишь то, что я измеряю. Все остальное – интерпретация, а интерпретация, особенно в квантовой физике, – это предмет серьезных споров[38], как и вопрос о том, что на самом деле означает измерение. Измерение всегда связано с процессами, в которых частицы обмениваются друг с другом энергией и светом. Этот подход приводит к совершенно новым способам описания реальности. В квантовой физике частица может с определенной долей вероятности находиться одновременно везде – до тех пор, пока над ней не будет проведено измерение. Во мраке небытия все возможно до тех пор, пока кто‐нибудь не прольет на эту тьму свет. Измерить, в частности, и значит – пролить свет на квантовый процесс. Но поскольку мы работаем в ареале мельчайших субатомных частиц, попытка измерить их всегда означает также воздействие на них, их изменение и фиксацию с помощью фотонов. Измерение не просто определяет реальность, оно еще и изменяет ее.

Эрвин Шрёдингер описал это с помощью своего знаменитого парадокса. Он представил кота в обувной коробке, закрытого там вместе с квантовым устройством-убийцей. До тех пор, пока никто не снимет крышку и не заглянет внутрь коробки, кот будет как бы одновременно и мертвым, и живым. Мысленный эксперимент Шрёдингера, конечно, несколько вводит в заблуждение, потому что кот в коробке из‐под обуви – это не отдельный изолированный квантовый объект. Его частицы постоянно обмениваются виртуальными фотонами друг с другом, а также с полом и воздухом. Кот, таким образом, постоянно либо подвергается измерению, либо измеряет себя, и это фиксирует его состояние[39]. Причем случается это не только тогда, когда мы открываем крышку. Но, разумеется, это всего лишь мысленный эксперимент, не говоря уже о том, что сегодня никто не оставил бы бедного кота умирать в коробке – пускай даже гипотетически. У такого горе-экспериментатора сразу появились бы многочисленные проблемы с борцами за права животных, и это правильно!

Настоящий кот либо мертвый, либо живой, но он не может быть тем и другим одновременно. Однако если бы кот был одиноким электроном в пустом пространстве и другой материи поблизости не было бы, то предыдущее утверждение оказалось бы логически правильным. Электрон не был бы либо тут, либо там, а был бы с определенной – иногда исчезающе малой – вероятностью одновременно везде и нигде в пространстве. Только когда электронный кот попал бы под луч света и этот луч высветил бы его и тем самым зафиксировал в определенном месте, он уже не был бы – именно в этот момент времени! – размазан по всему пространству. Электроны могут проходить через две двери одновременно, но только до тех пор, пока вы не установите в одном из дверных проемов датчик, который будет регистрировать их прохождение, – вот тогда они будут проходить только через одну из дверей.

Итак, мы снова убеждаемся в поразительном, уникальном значении света. Свет создает реальность, поскольку он передает информацию. Даже понятия пространства и времени берут свое начало в свете и материи. Пространство и время – абстрактные понятия, которые становятся реальными только благодаря нашим действиям по отсчету времени или измерению пространства. Без часов нет времени, без эталонного метра нет пространства. Самым элементарным инструментом для измерения пространства-времени является свет. Только благодаря своей измеримости пространство приобретает физические характеристики, которые мы описываем в моделях и изображениях.

Однако если свет всегда движется с одной и той же скоростью относительно каждого наблюдателя, то для наблюдателя что‐то должно меняться, а именно – должны меняться пространство и время. Альберт Эйнштейн смог продемонстрировать это с помощью простого мысленного эксперимента, из которого он сделал вывод, что пространство и время не являются абсолютными и неизменными величинами, каковыми их считал Ньютон. На самом деле они относительны, а единственной абсолютной величиной является скорость света[40].

Если, например, ко мне приближается машина, то время в ее салоне течет иначе, чем там, где я стою! Это звучит странно, и это действительно странное утверждение, но такой вывод логически вытекает из того, что мы считаем скорость света постоянной.

Рассмотрим некоторые основные методы измерения времени. Механические наручные часы тикают с заданной частотой, которая определяется свойствами колесика-балансира. Регулярное тиканье часов отмеряет время – секунду за секундой. Чтобы узнать, сколько прошло времени, нам нужно лишь посчитать количество “тиков”. К счастью, минутная и часовая стрелки настолько добры, что считают их за нас, так что мы можем просто мельком взглянуть на циферблат и сразу увидеть, который час.

Та же идея применяется и в электронных часах – только в них частоту задают колебания кристалла. И здесь, в конечном счете на атомном уровне, происходит передача энергии посредством электромагнитных полей, то есть происходит обмен виртуальными фотонами. Даже песочные часы зависят от связанных со светом сил, возникающих, когда молекулы песка ударяются друг о друга, пытаясь протиснуться через узкое отверстие в стекле.

Давайте сконструируем “часы с маятником”, в которых для простоты не тяжелый маятник качается туда-сюда, а луч света бегает по вертикали между двумя зеркалами. Если расстояние между ними равно 15 сантиметрам, свету потребуется около наносекунды, чтобы пролететь от одного зеркала до другого и обратно. Допустим, мы зарегистрировали миллиард световых “тиков” в секунду. Это эквивалентно частоте в один гигагерц или, для краткости, 1ГГц. (Как известно, один герц равен одному циклу, или колебанию, в секунду. Единица была названа в честь профессора физики Генриха Герца из Бонна, который первым собрал установку для генерации электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, и исследовал их свойства.)

Теперь самое главное: если я сижу с этими часами со световым маятником в машине, мне кажется, что луч света бегает по вертикали между зеркалами, вверх и вниз. Если, однако, на обочине дороги стоит полицейский и внимательно наблюдает за машиной, проезжающей мимо него на большой скорости, то ему кажется, что свет движется снизу вверх и обратно по диагоналям. След, оставленный лучом света,