Дао физики - Фритьоф Капра

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].