Ноль: биография опасной идеи - Чарльз Сейфе

Хотя сила Казимира — таинственная фантомная сила, созданная ничем, напоминает научную фантастику, она существует. Эта сила очень мала и измерить ее трудно, но в 1995 году физик Стивен Ламоро напрямую измерил эффект Казимира. Поместив две позолоченные пластины на чувствительный прибор, измеряющий поворот, он определил, какую силу нужно приложить, чтобы противостоять действию силы на пластины Казимира. Ответ оказался следующим: вес примерно одной тридцатитысячной части муравья, что соответствовало теории Казимира. Ламоро измерил силу, прилагаемую пустым пространством.

Релятивистский ноль: черная дыра

(Звезда), как Чеширский Кот, исчезает из вида. Кот оставляет за собой только свою улыбку, а звезда — только свое гравитационное притяжение.

Ноль в квантовой механике насыщает вакуум бесконечной энергией. Ноль в другой великой современной теории — теории относительности — создает другой парадокс: бесконечное ничто черной дыры.

Как и квантовая механика, теория относительности была рождена светом. На этот раз трудности создала скорость света. Большинство объектов во Вселенной не имеют скорости, насчет которой были бы согласны все наблюдатели. Например, представьте себе маленького мальчика, который кидает камешки во все стороны. Наблюдателю, приближающемуся к мальчику, будет казаться, что камешки летят быстрее, чем тому, кто бежит прочь: скорость камешков выглядит зависящей от вашего направления движения и скорости. Аналогично скорость света должна была бы зависеть от того, бежите ли вы к источнику света или от него. В 1887 году американские физики Альберт Майкельсон и Эдуард Морли попытались измерить этот эффект. Они были поражены, когда не обнаружили разницы: скорость света была одинаковой во всех направлениях. Как такое могло быть?

Ответ опять нашел молодой Эйнштейн в 1905 году. И опять очень простой вывод имел огромные последствия.

Первое заключение, сделанное Эйнштейном, представляется довольно очевидным. Эйнштейн указал, что если несколько человек наблюдают один и тот же феномен — скажем, полет ворона к дереву, — законы физики для всех наблюдателей одинаковы. Если вы сравните записи человека, стоящего на земле, и того, кто едет в поезде, двигающемся параллельно полету ворона, они разойдутся во мнениях относительно скорости ворона и дерева. Однако окончательный исход полета будет тем же: через несколько секунд ворон долетит до дерева. С этим согласятся оба наблюдателя, хотя они могут не согласиться насчет некоторых деталей. Это принцип относительности. (В специальной теории относительности, которую мы здесь обсуждаем, существуют ограничения в отношении того, какой вид движения позволителен. Каждый наблюдатель должен двигаться с постоянной скоростью по прямой. Другими словами, они не должны испытывать ускорения. В общей теории относительности эти ограничения устранены.)

Второе заключение несколько более озадачивает, особенно из-за того, что оно кажется противоречащим принципу относительности. Эйнштейн предположил, что все — с какой бы скоростью они ни двигались — согласны с тем, что скорость света в вакууме составляет 300 миллионов метров в секунду. Это константа, обозначаемая буквой c. Если кто-то посветит на вас фонариком, свет кинется на вас со скоростью c. Не имеет значения, стоит ли тот, кто держит фонарик, неподвижно, бежит к вам или бежит прочь. Луч света с вашей точки зрения — и с точки зрения всех остальных — всегда движется со скоростью c.

Это заключение бросало вызов всему, что физики считали правильным в отношении движения тел. Если бы ворон вел себя так же, как фотон, то наблюдатель в поезде и человек, стоящий неподвижно, одинаково оценивали бы скорость ворона. Это означало бы, что они разойдутся во мнениях относительно того, когда ворон доберется до дерева (рис. 50). Эйнштейн понял, что обойти это препятствие можно одним путем: считая, что течение времени меняется в зависимости от скорости наблюдателя. Часы в поезде могли тикать медленнее, чем часы у стоящего человека. То, что было бы для него десятью секундами, для едущего на поезде могло бы показаться всего пятью. То же самое происходит с путешественником, удаляющимся на огромной скорости. Каждый щелчок его секундомера длился бы дольше секунды по часам неподвижного наблюдателя. Если астронавт совершит двадцатилетнее (по его часам) путешествие при скорости в девять десятых световой, он вернется на Землю, постарев на 20 лет, но для всех, кто оставался на Земле, пройдет 46 лет.

Рис. 50. Постоянная скорость ворона означает, что время относительно

Не только течение времени меняется со скоростью, то же происходит с длиной и массой. По мере увеличения скорости тела оно делается короче и тяжелее. При скорости в девять десятых световой линейка в один ярд станет всего 0,44 ярда длиной, а фунтовый пакет сахара будет весить 2,3 фунта, с точки зрения неподвижного наблюдателя. (Конечно, это не значит, что вы сможете на том же пакете сахара испечь больше печенья. С точки зрения пакета, его вес остается неизменным.)

В такую изменчивость времени, может быть, трудно поверить, однако ее наблюдали. Когда субатомная частица движется очень быстро, она живет до распада дольше, чем ожидалось, потому что ее часы идут медленнее. Также очень точные часы едва заметно отстают при полете в самолете с большой скоростью. Теория Эйнштейна работает. Впрочем, существует потенциальная проблема: ноль.

Когда космический корабль достигнет скорости света, время на нем будет все больше и больше замедляться. Если кораблю удастся достичь скорости света, каждая секунда на борту будет равна бесконечному числу секунд на Земле. За долю секунды будут проходить миллиарды и миллиарды лет, Вселенная проживет свой срок и сгорит. Для астронавта на борту такого корабля время остановится. Длительность будет умножена на ноль.

К счастью, остановить время не так легко. По мере все большего роста скорости время все больше и больше замедляется, но одновременно все больше растет масса космического корабля. Это все равно что катить детскую коляску, в которой младенец все растет и растет. Очень скоро вам придется катить борца сумо, что не так легко. Если вам удастся разогнать коляску еще больше, младенец станет весом с автомобиль… потом с военный корабль… потом с планету… потом со звезду… потом с галактику. По мере того как младенец становится массивнее, ваши усилия дают все меньший и меньший результат. Точно так же вы можете взять космический корабль и разогнать его, все больше приближая его скорость к скорости света. Однако через некоторое время он станет слишком массивен, чтобы разгонять его еще больше. Космический корабль, да и любой объект, обладающий массой, никогда не сможет достичь скорости света. Скорость света — абсолютный предел, достичь его нельзя, уж не говоря о том, чтобы превзойти. Природа защищает себя от неуправляемого ноля.

Впрочем, ноль слишком силен даже для природы. Когда Эйнштейн расширил теорию относительности так, чтобы она включала гравитацию, он не подозревал, что его новые уравнения — общая теория относительности — описывают окончательный ноль и самую худшую из бесконечностей — черную дыру.

В уравнениях теории Эйнштейна пространство и время представлены как различные аспекты одного и того же. Мы уже знали, что ускорение изменяет характер перемещения в пространстве: скорость движения либо увеличивается, либо уменьшается. Новым в уравнениях Эйнштейна было то, что ускорение изменяет не только характер перемещения в пространстве, но и течение времени: оно может ускоряться или замедляться. Таким образом, когда вы придаете ускорение телу, подвергая его действию какой-либо силы (будь это сила тяготения или толчок огромного космического слона), вы меняете характер его перемещения в пространстве и течение на нем времени, иначе говоря, характер перемещения его в пространстве-времени.

Такую концепцию трудно усвоить. Самый простой способ приблизиться к пониманию пространства-времени — через аналогию, представив себе пространство-время как гигантское резиновое полотно. Планеты, звезды и все прочее располагаются на этом полотне, слегка его деформируя. Искривление полотна, порожденное этими объектами, — гравитация. Чем массивнее объект, находящийся на полотне, тем сильнее искривление и больше углубление вокруг объекта и тем больше их стремление туда скатываться.

Кривизна резинового полотна — это не только кривизна пространства, но и кривизна времени тоже. Как пространство искривляется вблизи массивного объекта, так искривляется и время. Оно течет тем медленнее, чем сильнее искажение. То же самое происходит с массой. Когда вы попадаете в сильно искривленные районы пространства, масса тела увеличивается. Этот феномен известен как возрастание массы.