Журнал "Вокруг Света" №4 за 2004 год - Вокруг Света

1990-е — развитие новых нейропарадигм несколько замедлилось, зато нейросети и нейрочипы прочно вошли в инженерную практику — нейросетевые методы начали активно использоваться в таких кибернетических направлениях, как «Искусственная жизнь» и «Адаптивное поведение», наряду с традиционным «искусственным интеллектом»

Досье: Постулаты относительного мира

В начале XX века физика пережила две революции — появление теории относительности и рождение квантовой механики, что в совокупности кардинально изменило старые представления и взрастило совершенно новую науку об устройстве мира. Благодаря Эйнштейну, соединившему пространство, время и материю, получилось, что все, что мы видим и воспринимаем в нашем мире, зависит от выбранной нами точки наблюдения и скорости нашего перемещения по отношению к изучаемому объекту.

В 1905 году в немецком журнале «Анналы физики» («Annalen der Physik») появилась самая знаменитая в XX веке научная работа по физике — статья Альберта Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», излагающая основные принципы теории относительности. В современной классификации эта теория получила название «специальной», сокращенно СТО.

Впрочем, устоявшаяся терминология не совсем точно отражает суть вопроса, поскольку в данном случае слово «относительность» означает как раз абсолютность и неизменность скорости света и основных законов природы для наблюдателей в разных системах отсчета. Причем в этой части Эйнштейн вполне солидарен с Галилеем, который утверждал, что никакие физические измерения, к примеру, в трюме парусного корабля не позволят определить, стоит корабль на якоре или равномерно плывет при попутном ветре. Стало быть, нет абсолютного движения тел, есть только относительное — по отношению к другим телам или к некой системе отсчета.

При решении различного рода физических задач ученые достаточно часто переходят из одной системы координат в другую, используя при этом соответствующие правила преобразовании координат. В «старой» физике Ньютона и Галилея время было единым для всех систем отсчета, и при переходе от одной системы к другой преобразовывались только пространственные координаты, новая же физика стала использовать преобразования, «перепутывающие» пространственные координаты и время. Именно из-за того, что основное внимание в СТО уделено анализу одних и тех же экспериментов относительно разных систем отсчета, и возникает понятие относительности. СТО отвергла, казалось бы, естественный взгляд на мир: «пространство — отдельно, время — отдельно». Вместо этого она рассматривает единое четырехмерное пространство-время с особой геометрией Минковского (польский математик, детально исследовавший эту геометрию вскоре после появления СТО). Пространства, как известно, состоят из точек, и в данном случае точка четырехмерного пространства событий — это три обычные пространственные координаты плюс время. Роль привычного для нас евклидова расстояния, которое мы измеряем обычной линейкой, в четырехмерном мире играет так называемый интервал. Мир СТО устроен так, что квадрат интервала между двумя различными событиями бывает не только положительной, но и отрицательной величиной, и даже равной нулю.

Многое из того, что ранее представлялось абсолютным, в СТО начало зависеть от движения наблюдателя — это и пространственные размеры тел, и промежутки времени, и даже понятие одновременности. Приведем простой пример.

Стоящему на платформе наблюдателю мчащийся мимо него поезд кажется короче, чем находящимся внутри пассажирам. Время для пассажиров поезда идет медленнее, чем для наблюдателя. Включенный и в первом, и в последнем вагонах свет пассажиры увидят одновременно, наблюдатель же, стоящий на платформе, решит, что в первом вагоне свет зажегся раньше.

Кроме того, с момента появления СТО скорость света в пустоте стала мировой константой, не зависящей ни от движения источника, ни от перемещения наблюдателя. Эта особенность электромагнитных колебаний — из-за огромной величины скорости света (почти 300 тыс. км/с) — долгое время оставалась для физиков неизвестной. Именно это свойство света –– постоянство его скорости — стало экспериментальным основанием СТО. Этот факт был хорошо известен ученым еще до создания СТО благодаря наблюдениям за двойными звездами и опытам Майкельсона — Морли.

Астрономы, наблюдая за удаленными двойными звездными системами, не замечали никаких особенностей в видимом движении звезд по сравнению с ближайшими к Земле двойными звездами. И это однозначно указывало, что скорость света не складывается со скоростью звезды и свет летит в безвоздушном пространстве со своей, зависящей лишь от свойств этого пространства скоростью.

Опыты Майкельсона и Морли, направленные на выявление зависимости скорости света от движения наблюдателя, привели к отрицательному результату, продемонстрировав, что скорость распространения света — как вдоль земной орбиты, так и поперек ее — одинакова и не влияет на движение источника и приемника света.

Само по себе постоянство скорости света, казалось бы, не могло сильно повлиять на привычную евклидову картину мира с однозначной интерпретацией всех событий и четкой причинно-следственной связью между ними. Но, по Эйнштейну, получалось так, что скорость света — не просто ни от чего не зависящая мировая константа, это еще и предельная скорость, с которой могут перемещаться любые материальные тела, информационные сигналы и физические поля. Таким образом, на фундаментальном уровне сверхсветовое движение оказалось невозможным, и в связи с этим кардинально менялся и весь окружающий мир.

Несмотря на все странности, СТО на протяжении последнего столетия остается основой для описания огромной массы физических явлений. Без нее невозможно понять ни превращений элементарных частиц, ни ядерных реакций, ни строения небесных тел. Теория получает эффективное подтверждение как на любых масштабах –– от ядерных до галактических, –– так и в колоссальном диапазоне скоростей и энергий. При малых же скоростях СТО «переходит» в классическую механику Галилея — Ньютона — со свойственным ей сложением скоростей тел и единым для всех наблюдателей временем и пространством.

В начале ХХ века были известны всего два физических поля — электромагнитное и гравитационное. Появившаяся СТО отлично справилась с описанием поведения электрических зарядов и полей при любых скоростях, чего не получалось в подходе Галилея. Но ньютоновская теория тяготения, служившая практически идеальной основой небесной механики и земной физики, по-прежнему формулировалась в старых понятиях абсолютного пространства и времени и не вписывалась в новые представления.

После создания СТО неоднократно предпринимались попытки описать гравитационное поле в пространстве Минковского, надеясь таким образом включить в рассмотрение СТО быстродвижущиеся тяготеющие объекты, а ньютоновскую теорию гравитации получить в пределе малых скоростей движения.

Великий французский математик Анри Пуанкаре, фактически одновременно с Эйнштейном «открывший» СТО, первым попытался распространить ее и на гравитацию, предположив конечность скорости распространения гравитационного поля. Мысли о том, что гравитация передается со скоростью света, высказывались, конечно, и раньше. Подобные теории, однако, встретились с серьезными трудностями, и одна из них — неспособность объяснить аномальное вековое смещение перигелия орбиты Меркурия, необъяснимое и в теории Ньютона. И пусть величина смещения была едва заметна — 43 угловые секунды в столетие, — но уже тогда она вполне достоверно была получена из астрономических наблюдений.

По законам Кеплера, являющимся следствием закона всемирного тяготения Ньютона, все планеты Солнечной системы движутся по замкнутым эллиптическим орбитам, а у Меркурия этот эллипс со временем немного поворачивается, в итоге он движется по незамкнутой спиралевидной траектории. Кроме того, Меркурий — самое быстрое тело Солнечной системы, и для искомой «гравитации высоких скоростей» объяснение этого эффекта должно было стать первым пробным камнем.

Было еще одно обстоятельство, делавшее попытки описать гравитацию в рамках СТО малопривлекательными. Со времен Галилея было известно, что если исключить сопротивление воздуха, то самые разные тела — кусок дерева, камень, слиток свинца, сосуд с водой и так далее — падают на Землю с совершенно одинаковым ускорением. Подтверждением того является известный школьный опыт, в процессе которого легкое перышко летит на одном уровне со свинцовой дробинкой, если их поместить в длинную трубку с откачанным воздухом. Универсальность ускорения свободного падения для разных тел была подтверждена с высокой точностью в конце XIX века опытом Этвеша, установившего эквивалентность между силой притяжения Земли и инерционным центробежным ускорением, вызванным суточным вращением нашей планеты (ошибка не превышала одной 10-миллионной процента). В уравнениях Ньютона это проявляется как равенство между инертной и гравитационной массами — так называемый «принцип эквивалентности». Сама теория Ньютона объяснить это равенство не способна, не могли это сделать и ее обобщения в рамках СТО.