Читаем без скачивания Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса - Дэйв Голдберг

Фотоны и теория относительности

В сущности, свет — это чистая энергия и импульс, связанные очень просто, через с. Это было известно уже давным-давно, полвека. С точки зрения атома, в обе стороны направлены одинаковые импульсы, поэтому скорость атома не меняется. Ньютон и Галилей подарили нам закон сохранения импульса, а это значит, что если сначала атом был неподвижен, в конце концов, после испускания света, он тоже будет неподвижен.

Пока что никаких особых противоречий — но тут Эйнштейн поднимает ставки: он представляет себе, как бы все это выглядело, если бы вы пролетали мимо экспериментальной установки. Если бы вы полетели лоб в лоб фотону, вам бы не показалось, что он летит быстрее скорости света: это мы уже установили. Зато покажется, что этот фотон несколько энергичнее (синее), чем в неподвижной системе отсчета. Подобным же образом другой фотон обладал бы несколько меньшей энергии (был бы краснее). Это называется эффект Доплера, и он известен с середины XIX века.

Тут-то и зарыта собака. Выполнив вычисления, Эйнштейн обнаружил, что ответ не сходится. Импульс должен сохраниться, однако с точки зрения движущегося наблюдателя летящий вперед протон несет больше импульса, чем летящий назад. Откуда взялся лишний импульс? Единственный подозреваемый — сам атом, и единственный способ для атома потерять импульс, не замедлившись, — это каким-то образом утратить массу, в точности равную величине, которую мы получаем из формулы E = mc 2.

Бабах!

Почему у вас никогда не будет ансибля

Помните ансибль из повести Урсулы Ле Гуин — устройство, способное налаживать мгновенную связь через межзвездное пространство? Подобные устройства появляются повсюду — от «Игры Эндера» до трилогии «Темные Начала». А еще ансибли то и дело упоминаются в огромном количестве псевдонаучных сочинений. Их авторы пытаются представить себе какие-то дрессированные запутанные частицы, которые передают сигналы мгновенно, только ничего у них не выходит. Как мы вскоре увидим, квантовая механика лишь подтверждает, что скорость света конечна.

В самом начале главы мы задались вопросом, почему такие устройства невозможны, и теперь я хочу и могу дать на этот вопрос более убедительный ответ, чем «Потому что я так сказал».

Волшебство относительности состоит в том, что пространство и время переплетены друг с другом. Из этого следует не только то, что время — не абсолют, но и то, что вообще нельзя говорить, что два события произошли «одновременно». Чтобы разобраться, почему, давайте представим себе, что у меня в гараже стоит действующий ансибль. Я звоню своему приятелю Солкару на Вулкан, и он мгновенно принимает мой звонок. Расстояние от причины до следствия составляет 16 световых лет в пространстве и ноль во времени.

Мы уже видели, что с точки зрения движущихся наблюдателей расстояния меняются, однако сочетание пространства и времени должно оставаться одинаковым для всех. Это означает, что время между передачей и приемом объективно не может быть равно нулю.

Пространственно-временная схема ансибля

Например, с точки зрения звездолета, который летит с Вулкана на Землю, Солкар получит мое послание после того, как я его отправил, в точности как следует ожидать. Облечем происходящее в числа — и получим, что если корабль летит со скоростью в половину скорости света, задержка сигнала составит девять лет. Ничего себе мгновенно!

Но на этом странности не кончаются, более того, начинается жуть. Если звездолет летит с Земли на Вулкан, события на нем произойдут в обратном порядке. Не забывайте, это вам не фокус и не обман зрения. Точка зрения пилота звездолета, следующего с Земли на Вулкан, полностью законна, и все же с его точки зрения Солкар получит мое сообщение за девять лет до того, как я его отправлю. Если во вселенной хоть сколько-то уважают закон причины и следствия, существование ансиблей он исключает[67].

Благодаря причудливым особенностям сложения скоростей в теории относительности, если хочешь послать сообщение в прошлое, можно обойтись даже без средств мгновенной связи. Сам Эйнштейн в 1907 году обнаружил, что любой сигнал, распространяющийся быстрее света — такие частицы называют тахионами — можно превратить в антителефон, способный звонить в прошлое. Для этого достаточно сесть в звездолет и улететь от друга, чей звездолет тоже оборудован передатчиком и приемником для антителефонии. Отправьте сверхсветовое сообщение, пусть ваш друг ответит вам. Ничего более запутанного я в жизни не видел — однако и это не мешает вполне нормальным физикам изобретать доказательства возможности создания ансибля. Мне остается только предупредить вас, что если вам придет в голову, что вы придумали действующую модель ансибля, не надо звонить в Стокгольм, вам сами позвонят.

Вспомним новейшую историю науки — посмотрите, какой поднялся шум, когда в конце 2011 года объявили, что будто бы можно посылать сигналы быстрее скорости света (вскоре это было опровергнуто). В ходе эксперимента OPERA, проведенного в Италии, в лаборатории Гран-Сассо, были зарегистрированы нейтрино, которые якобы перемещались чуть-чуть быстрее света. Эти нейтрино вроде бы двигались со скоростью всего на 0,002 % больше скорости света, однако даже такая крошечная разница позволила бы теоретически построить гигантский антителефон.

И научные круги, и блоги по популярной физике преисполнились ликования. Вместо того чтобы принять во внимание, что целое столетие господства теории относительности так просто не отметешь, некоторые ученые воспользовались случаем предложить для этой несообразности довольно-таки фантастические объяснения. Один довод гласил, что нейтрино срезают путь через дополнительные измерения пространства-времени.

Однако некоторые ученые (в том числе и я, о чем я с гордостью заявляю) отнеслись к открытию гораздо более скептически, и в течение нескольких недель в журналы поступили буквально десятки статей, где высказывались различные предположения от воздействия общей относительности на спутники до статистических аномалий. Было такое ощущение, что тут что-то странное с самого начала. Мы же наблюдали астрономические нейтрино много лет. Детекторы на Земле регистрировали нейтрино от сверхновой 1987 года — а до нее, страшно сказать, 160 000 световых лет — через несколько часов после фотонов. Если бы нейтрино сверхновой были такими проворными, как намерили в ЦЕРНе, они обогнали бы фотоны на 3,2 года!

В конце концов исследователи из проекта OPERA сами разобрались, в чем проблема, и оказалось, что она весьма прозаична: неисправный разъем кабеля. Если у этой истории есть мораль, она состоит в том, что нужно быть очень сильно уверенным в своих притязаниях, прежде чем объявлять об открытии, которое перевернет мир.

Участники проекта приложили максимум усилий, чтобы выявить все возможные проблемы, однако вся эта история привела к тому, что руководители группы подали в отставку.

А вторичная мораль и подлинная причина того, почему я вообще об этом заговорил, состоит в том, что преодоление скорости света было бы колоссальной сенсацией, поскольку оно и в самом деле изменило буквально все, что мы думаем о работе физических законов — да-да, скорость света играет именно такую роль.

И даже при таких ограничениях не стоит забывать, что мы даже отчасти не приблизились к тому, чтобы достичь скорости света, не то что превзойти ее. Астронавты на предельной скорости разгонялись максимум до 40 000 километров в час: это было когда «Аполлон‑10» вернулся в атмосферу Земли. На первый взгляд кажется, что это очень серьезная скорость, но тут стоить кое-что подсчитать — и вы поймете, что это всего лишь примерно 0,004 % скорости света. Так что, полагаю, мне нужно донести до вас, что не надо жадничать и пора смириться с физическими ограничениями вселенной. Тот же самый предел, который не позволяет нам разгоняться до гиперпространственных скоростей, уберегает нас и от инопланетного вторжения.

Однако есть и луч надежды.

Глава шестая. Гравитация

Из которой мы узнаем, почему черные дыры не вечны

Специальная теория относительности стала поразительным прорывом в нашем понимании мироустройства, однако и она оставила без ответа множество вопросов — особенно в том, что касается гравитации.

Да-да, конечно, общую картину гравитации нарисовал нам Ньютон несколько веков назад, однако с появлением теории относительности версия всемирного тяготения по Ньютону стала выглядеть несколько наивно. Во-первых, ньютонова гравитация распространяется с бесконечной скоростью. Если Галактус, пожиратель миров, поглотит целую звездную систему на дальнем конце галактики, то, согласно Ньютону, гравитационный эффект мы почувствуем мгновенно.