Всё страньше и страньше. Как теория относительности, рок-н-ролл и научная фантастика определили XX век - Джон Хиггс

В своих работах 1905 года Эйнштейн возвращается к открытиям Ньютона, сделанным в 1666 году, когда из-за чумы закрылся Кембриджский университет и ученый вернулся в материнский дом в пригороде Линкольншира. Время в деревне Ньютон проводил за разработкой математического анализа, теории цвета и законов всемирного тяготения, которыми обессмертил себя как величайшего ученого в истории Великобритании. Достижения Эйнштейна впечатляют еще больше, если учесть, что он не прогуливался по яблоневому саду, а целый день проводил в офисе. Он был служащим бернского патентного бюро, поскольку не смог получить академическую работу. И свои четыре статьи он написал, как ни удивительно, в свободное время.

«Первая [из задуманных статей] – о радиации и энергии света, и она по-настоящему революционна», – писал Эйнштейн. И он не преувеличивал. В этой статье он доказывал, что свет состоит из отдельных частиц – сегодня мы называем их фотонами, – а эфира не существует. Как мы увидим далее, этой статьей Эйнштейн невольно заложил основы квантовой физики и столь странной и контринтуитивной модели Вселенной, что и самому ему пришлось большую часть жизни разбираться с последствиями.

«Вторая статья – об оценке истинных размеров атома». Это была наименее противоречивая из четырех работ: полезная физика, не переворачивающая никаких установленных истин. Она принесла Эйнштейну докторскую степень. В третьей статье Эйнштейн путем статистического анализа взвешенных частиц, движущихся в воде, непреложно доказывал существование атомов, которое широко признавалось, но до тех пор не было убедительно продемонстрировано.

Важнейшее из открытий Эйнштейна стало итогом его размышлений о кажущемся противоречии между двумя физическими законами. «Четвертая статья – пока еще сырой черновик, она об электродинамике движущихся тел, несколько меняющей теорию времени и пространства», – писал Эйнштейн. Эти размышления станут в итоге специальной теорией относительности. Вместе с более широкой общей теорией относительности, которую Эйнштейн разработает через десять лет, она опрокинет уютный стройный космос, описанный Ньютоном.

Относительность показала, что мы живем в сложном и странном мире, где время и пространство не постоянны, а могут растягиваться под влиянием массы и движения. Это ир черных дыр и искривленного пространства-времени, имеющий вроде бы мало общего с той повседневной реальностью, в которой существуем мы. Относительность нередко описывают так, что ее суть кажется непостижимой, но ее главную, основополагающую идею можно передать и понять на удивление легко.

Представьте себе самый далекий, темный и пустой участок космоса, какой только есть, – вдали от звезд, планет и любого внешнего влияния. Теперь представьте, что вы парите в этой полной пустоте, от которой вас защищает теплый и уютный скафандр. Важно, чтобы вы представили себя висящим неподвижно.

Затем представьте, как мимо вас медленно проплывает, исчезая вдали, чашка чая.

Вроде бы вполне возможная ситуация. Первый закон Ньютона гласит, что тело, на которое не действует никакая внешняя сила, остается в покое или движется по прямой с постоянной скоростью. Кажется, он идеально описывает происходящее и с вами, и с чашкой.

Но как понять, что вы находитесь в покое, спросил бы Эйнштейн. Откуда мы знаем, что не чашка стоит на месте и не вы пролетаете мимо нее? С вашей точки зрения оба сценария будут выглядеть одинаково. И ровно так же одинаково – с точки зрения чашки.

В 1630-х годах Галилею говорили: невозможно, чтобы Земля вращалась вокруг Солнца, потому что люди на Земле не чувствуют движения. Но Галилей знал, что если движешься ровно, без ускорения или замедления, и нет никаких визуальных или акустических показателей движения, то понять, что ты движешься, невозможно. Никто не может быть уверен, что «неподвижен», утверждал Галилей, поскольку разница между движением и покоем незаметна без тех или иных внешних ориентиров, с которыми можно сравнить свое положение.

Это может показаться каким-то софизмом. Разумеется, можете подумать вы, объект или движется, или неподвижен, даже если рядом нет ничего. Для кого утверждение «Я стою на месте» может выглядеть абсурдом или бессмыслицей?

В школе нас учат определять положение объектов с помощью системы координат, показывающей удаление предмета от некой фиксированной точки по высоте, длине и глубине. Эти измерения называются осями x, y и z, а фиксированную точку обычно помечают буквой O, от слова origin (начало). Это тоже омфал, от которого отмеряются все расстояния. Эта модель именуется декартовой системой координат. В ней вы легко поймете, движутся ли астронавт и чашка чая, просто отследив, меняются ли со временем значения их координат.

Но если бы вы показали такой чертеж Эйнштейну, он взял бы ластик и первым делом стер «О», а потом уж заодно и все три оси.

Этим он убрал бы не «пространство», а только систему ориентиров, которой мы пользовались, чтобы это пространство измерить. И он сделал бы так потому, что в реальном мире этой системы координат нет. Декартовы оси – такое же творение человеческого ума, как и разбегающиеся от Гринвича линии долготы, и мы проецируем эти модели на мироздание, чтобы как-то его описать. Эти сущности мнимы. Более того, они произвольны. Центр такой системы координат можно расположить где угодно.

Инстинктивно мы чувствуем, что движение астронавта или чашки должно замечаться на каком-то определенном «фоне». Но если это так, что может выполнять его функцию?

В нашей повседневной жизни твердая почва под ногами служит нам ориентиром, к которому мы неосознанно привязываем всё. Существование такой понятной и незыблемой отправной точки мешает нам представить ситуацию, когда ничего подобного нет. Но насколько незыблема земля? Теория тектонических плит, получившая признание в 1960-х, научила нас, что континенты медленно дрейфуют. Так что, если мы ищем неподвижную точку, под ногами ее не найти.

Может быть, сориентируемся по точке в центре нашей планеты? Она тоже не статична, потому что Земля летит вокруг Солнца со скоростью более 100 000 километров в час. Тогда, может, зацепимся за Солнце? Оно мчит со скоростью 220 километров в секунду вокруг центра нашей Галактики. Галактика, в свою очередь, несется на 552 километрах в секунду относительно остальной Вселенной.

Ну а что же собственно Вселенная? В последней отчаянной и уже радикальной попытке найти точку неподвижности не объявить ли нам омфалом центр Вселенной? Ответ тот же: нет. Центра Вселенной, как мы увидим далее, вовсе не существует, а пока мы отвергнем эту идею из-за ее полнейшей неосуществимости.

Но как тогда положительно утверждать что-либо о положении астронавта (нас) и чашки? Пусть «неподвижной точки», которую можно взять за ориентир, не существует, но у нас ведь еще есть координатные модели, и мы можем прикладывать их где хотим. Например, если мы