Книга: Сейчас. Физика времени

Пространство-время

Пространство-время

После того как Минковский и Эйнштейн представили миру концепцию пространства-времени, многие другие физические явления стали легко объясняться при подходе к ним с позиций четырехмерного пространственно-временного континуума. Энергия и импульс (количество движения), которые ранее рассматривались как связанные, но отдельные понятия: три компоненты классического вектора импульса, имеющие направления x, y и z, стали составными частями 4D-вектора энергии-импульса, а четвертой компонентой оказалась полная энергия. Эйнштейн «соединил» импульс и энергию в том же смысле, в котором (он и Минковский) соединил пространство и время.

Другие физические понятия также красиво вписались в четырехмерную модель. Больше не считались отдельными феноменами электрические и магнитные поля: они стали просто разными компонентами четырехмерных объектов – тензоров. Удивительным оказалось и такое открытие: если перевернуть координаты этих объектов, электрическое поле можно было превратить в магнитное, и наоборот. Математика такого поворота в своей основе напоминала преобразования Лоренца/Эйнштейна. На формировавшемся тогда научном жаргоне это явление получило название релятивистской ковариантности[85]. Подобные повороты математически эквивалентны классическим уравнениям Максвелла, относящимся к электрическим и магнитным полям. Тем самым уравнениям, которые использовались для создания электромоторов и электрогенераторов.

Тем временем Эйнштейн продолжал свои поразительно продуктивные разработки. Вскоре после создания первых трудов по общей теории относительности он написал несколько работ по радиационному излучению, в которых предсказал прежде не известное явление – вынужденное, или индуцированное, излучение. Это привело в 1954 году к изобретению лазера известным американским физиком Чарльзом Таунсом[86] и советскими физиками Николаем Басовым[87] и Александром Прохоровым[88]. Собственно, слово «лазер» – это английская аббревиатура: L.A.S.E.R., light amplification by stimulated emission of radiation – «усиление света посредством вынужденного излучения».

Эйнштейн считал свою специальную теорию относительности, опубликованную в 1905 году, первым шагом на пути к пониманию всей физики через геометрию. С помощью принципа эквивалентности он включил в СТО гравитацию, создав общую теорию относительности – геометрическую теорию тяготения. И не собирался на этом останавливаться. Эйнштейн хотел сделать электромагнетизм геометрической теорией, так же как он поступил с гравитацией, и объединить теорию электромагнетизма излучения с общей теорией относительности. В 1928 году он начал писать ряд статей, посвященных «единой теории поля», с помощью которой планировал добиться своей цели. Сегодня многие ученые считают, что в конечном счете Эйнштейн пошел по неверному пути; возможно, потому что в свои исследования не включил квантовую физику, которую сам же некогда помог создать.

С принятием квантовой физики многие теоретики верят, что приблизились к решению задачи создания единой теории, хотя она и не основана на геометрическом подходе. Этот подход, названный теорией струн, объединяет общую теорию относительности и квантовую физику, сводя в один предмет изучение силы гравитации, электричества и магнетизма; «слабые» взаимодействия, которые вызывают радиоактивный распад; и «сильные» взаимодействия, которые удерживают протоны и нейтроны в ядре, несмотря на существующие между ними гигантские силы отталкивания.

Теория струн вызвала в научной среде большой энтузиазм. На эту тему появилось много популярных изданий. По моей оценке, эта теория не стала тем решением, которое мы ищем. На ее основе сделано много предсказаний (насчет существования новых частиц), которые пока не подтверждаются. С другой стороны, теория струн не предугадала многих явлений, оказавшихся реальностью. Некоторые ученые утверждают, что самым убедительным доказательством правильности можно назвать ее математическую последовательность и отсутствие произвольных (и трудных для оправдания) вычислительных хитростей ради избежания бесконечностей, присутствующих в классической квантовой физике. Некоторые говорят, что величайшим достижением теории струн стало ее «предсказание существования гравитации». Разумеется, гравитация была известна задолго до возникновения этой теории. Однако «предсказание» отражает то, что теория струн нуждается в существовании относительно слабых (в сравнении с другими силами) гравитационных полей.

Даже без каких-либо теоретических дополнений вскоре после публикации работ Эйнштейна удивительные явления были обнаружены в самой общей теории относительности. Эта теория может быть применена по отношению и к Вселенной, и к очень плотным объектам. По мнению Роберта Оппенгеймера[89], будущего научного руководителя Манхэттенского проекта и «отца» атомной бомбы, черная дыра создается, когда исключительно тяжелая звезда подвергается коллапсу. Действительно, существует мнение, что ближайшая к Земле черная дыра находится «всего лишь» (по оценкам астрономов) на расстоянии 6000 световых лет от нашей планеты. Теоретическое изучение черных дыр заставило по-новому взглянуть на время. Этот новый взгляд бросает вызов многим врожденным предубеждениям.