начнем с ключевого понятия – понятия пространства, которое первым среди прочих было поколеблено в истории науки. Потом я покажу, что понятие времени должно подвергнуться еще более впечатляющей трансформации.
Представление о пространстве, лежащее в основе наиболее знакомой нам картины мира, – это представление об огромном «ящике», в котором мир и находится. В этом ящике все единообразно, все совершается по одним и тем же законам, без каких-либо привилегированных направлений движения. Здесь применима геометрия Евклида, здесь развертываются мировые процессы. Все известные нам объекты состоят из частиц, находящихся в этом пространстве-ящике. Теория всемирного тяготения Ньютона была создана для такого пространства. А ньютоновская теория тяготения еще и сейчас остается базовой для бесчисленных технологических и инженерных применений физики во всех сферах.
Через двести лет после Ньютона, в конце XIX века, Джеймс Клерк Максвелл и Майкл Фарадей занимались изучением электрической энергии в пространстве между двумя заряженными телами. Их исследование привело к тому, что они изменили известное описание пространства. Рядом с ньютоновским пространством и частицами появился третий компонент – электромагнитное «поле», новый «объект», и он имел огромную значимость для всех будущих физических исследований.
Электромагнитное поле – это то, что лежит в основе электрической и магнитной сил. Поле – рассеянная целостность, которая заполняет все пространство. Фарадей представлял его как единство множества линий[2], исходящих из положительных электрических зарядов в направлении к отрицательным. На рисунке 1 показаны такие линии. В действительности их число бесконечно и ими без разрывов можно заполнить все пространство, они как нити нематериальной паутины, пронизывающей три пространственных измерения.
Через любую точку проходит одна из линий Фарадея. Направление этой линии в данной точке указано вектором (маленькой стрелкой), касательным к линии. Поле проявляется как электрическая сила, действующая на находящийся в этой точке электрический заряд в направлении, обозначенном вектором.
Рисунок 1. Электрическое поле между двумя зарядами: поле изображено «линиями Фарадея». Направление электрической силы в отдельно взятой точке указано стрелкой.
Великое открытие Фарадея и Максвелла заключалось в том, что поле – это автономное образование, независимое от самих электрических зарядов. Если таких зарядов нет, «линии Фарадея» все равно существуют. Если нет зарядов, к которым линии могли бы вести, то они замыкаются на себе и образуют петли. Одна из таких фарадеевых линий изображена на рисунке 2. Направление электрической силы в каждой точке пространства показано вектором, касательным к линии в данном месте.
Электромагнитное поле не создается зарядами. Оно – автономное образование, которое всегда существует и изменяется время от времени из-за присутствия электрических зарядов, но не является их результатом. Для того чтобы существовать, заряды полю не нужны.
На язык математических формул наблюдения и догадки Фарадея перевел Максвелл. Электромагнитное поле с его линиями, каким его представлял себе Фарадей, описано уравнениями Максвелла. У Фарадея, гениального экспериментатора, великого провидца, не было для этого математической подготовки.
Форма линии Фарадея нестабильная и неслучайная, она подчиняется закономерностям, описанным в уравнениях Максвелла. Линия меняет форму под воздействием соседних линий или электрических зарядов. Когда такие заряды присутствуют, они «открывают» петли и придают электромагнитному полю тот вид, который представлен на рисунке 1. Электромагнитное поле описывается и ведет себя как как совокупность фарадеевских линий. Эти линии пребывают в постоянном движении, как волны в море, и их движение распространяется от одной к другой.
Рисунок 2. Замкнутая линия Фарадея, то есть петля. Стрелками указано направление электрической силы, которая в каждой точке перпендикулярна линии Фарадея. Эти линии заполняют все пространство и служат визуализацией электромагнитного поля.
Когда в поле согласованным образом, от одной точки к другой, распространяются изменения, то говорят, что между этими точками помещена электромагнитная волна. Тогда длина и направление вектора, представляющего электрическую силу, колеблются с некоторой периодичностью. Скорость и величина колебаний определяют свойства волны: ее длину и интенсивность. Герц первым использовал радиоволны для того, чтобы передавать информацию на расстоянии, открыв путь сотням других применений новой теории, которые постепенно обогатили технологию и изменили облик мира.
Максвелл был гениален в том, что понял: свет – не что иное, как быстрое волновое движение линий одной из разновидностей электромагнитного поля. В случае с радиоволнами колебание волны медленное, а в случае света – быстрое, но речь там и там идет об одном и том же – о периодическом изменении электромагнитного поля.
Иногда говорят, что электромагнитное поле невидимо. Это не так: то, что мы «видим», и есть электромагнитное поле. Когда мы смотрим на что-то, наши глаза чувствительны не к самому объекту наблюдения, а к колебаниям электромагнитного поля между ним и нами, к свету, отраженному объектом. Представьте себе отражение в зеркале, проекцию фильма на экран в кинотеатре или голограмму. Во всех этих случаях в конкретном месте нет объекта, который, как нам кажется, мы видим, – есть только свет, направленный так, как если бы объект там был. И во всех этих случаях мы имеем один и тот же результат.
Труды Фарадея и Максвелла внесли лишь некоторые изменения в ньютоновскую картину мира, но не подвергли ее фундаментальной трансформации. По-прежнему кажется, что пространство существует как ящик, в котором что-то движется. Просто к ящику и частицам в нем теперь добавился третий компонент – электромагнитное поле.
Теория относительности
Революция в понимании пространства произошла в 1915 году благодаря Эйнштейну. Он был заворожен работами Максвелла и, со своей стороны, дал новое объяснение силе притяжения, или гравитации (той силе, которая притягивает нас к Земле и удерживает Землю рядом с Солнцем, а Луну рядом с Землей). Эйнштейн понял, что следует говорить о гравитационном поле, подобном электромагнитному.
Точно так же, как энергия от одного заряда к другому переносится электромагнитным полем через пространство между ними, гравитация между двумя объектами, обладающими массой, переносится гравитационным полем. Значит, должны существовать и гравитационные «линии Фарадея», при помощи которых можно представить взаимные связи масс и поле, занимающем все пространство. Это поле может двигаться, вибрировать, в нем могут возникать волны. Эйнштейн ввел понятие гравитационного поля и предложил уравнения, которые сегодня называются уравнениями Эйнштейна, аналогичные уравнениям Максвелла.
Если б на этом дело закончилось, Эйнштейн остался бы великим ученым, но не гением. Однако его понимание физического мира было более глубоким. Стараясь объяснить свои уравнения, описывающие гравитационное поле, он сделал огромный шаг вперед: понял, что гравитационное поле и пространство-«ящик» Ньютона в действительности представляют собой одно и то же. Это, вероятно, его самое высшее достижение.
Давайте представим: мы узнаем, что
