Квантовый ум. Грань между физикой и психологией

Минделл Арнольд

Эйнштейн заключал, что, не имея возможности выглядывать наружу, человек в лифте не мог бы проводить различие между силой тяготения, тянущей его вниз, и силой, наподобие силы подъемного крана, тянущей его вверх.

Из своего мысленного эксперимента Эйнштейн сразу же понял, что человек в лифте не смог бы сказать, есть ли под ним большая планета, сила тяготения которой прижимает его к полу, или же над ним имеется подъемный кран, сила которого ускоряет его вверх.

Рис. 30.2. Человеку в лифте кажется, что поблизости есть планета, обладающая тяготением

Чтобы

доказать свою правоту, человек в лифте говорит Эйнштейну, что он уронит свои очки и посмотрит, что произойдет Затем он говорит: «Смотрите, они упали на пол!» Но Эйнштейн отвечает: «Извините, но это обусловлено ускорением, которое создает подъемный кран!» И снова Эйнштейн делает вывод, что человек в лифте не может изнутри отличать тяготение от ускорения, вызываемого какой-либо силой.

Поскольку человек в лифте не может проводить различие между ускорением, обусловленным силами крана или тяготения, сила тяготения должна быть каким-то образом эквивалентна силе крана. Другими словами, для человека в лифте ускорение и тяготение эквивалентны друг другу.

Эйнштейн назвал это «принципом эквивалентности»; в данной точке пространства-времени локальные эффекты тяготения эквивалентны эффектам ускоряющейся системы отсчета.

Он знал, что его общая теория относительности должна включать в себя меняющуюся скорость – то есть ускорение – а значит, и тяготение. Почему? Потому что тяготение и ускорение оказывают сходное действие. Эйнштейн понял, что тяготение влияет на материю так же, как ускорение. Таким образом, сила тяготения и сила ускорения неразличимы. Поскольку ускорение (и его силы) могут вызываться изменением направления движения – как при повороте направо или налево в автомобиле, – эффекты тяготения эквивалентны кривизне пространства.

Эйнштейн доверял собственным мысленным экспериментам не меньше, или даже больше, чем реальным измерениям, которые позднее подтвердили его выводы. Он знал, что общая теория относительности, какова бы она ни была, должна иметь дело с этой эквивалентностью.

Возможно, вы подумаете: «Что с того, если тяготение и ускорение эквивалентны? Ну и что, если Эйнштейна интересовала связь тяготения с относительностью?» Ответ на вопрос, почему это важно, состоит в том, что принцип эквивалентности связывает тяготение с искривлением пространства.

Вот примерное объяснение. Вспомните, что если 5 – это расстояние, проходимое за время t, а v – это скорость, то v = s/t. Ускорение a – это изменение скорости, то есть отношения s/t. Таким образом, ускорение эквивалентно изменениям в пространстве и времени. Иными словами, из эквивалентности тяготения и ускорения следует, что тяготение – самая универсальная из всех материальных сил – эквивалентно изменениям в пространстве и времени, происходящим при искривлении и деформации этих измерений.

Пространство-время и природа тяготения

Примерно до 1910 года тяготение было просто концепцией; никто не знал, как оно действует. Даже сегодня оно все еще остается загадкой, и необходимы его дальнейшие исследования. Но в то время люди знали лишь то, что тяготение – это присущая все материи универсальная сила, которая заставляет массы притягиваться друг к другу¹.

В действительности, тяготение – самая «демократичная» из всех сил. Она не зависит от природы материи, ее цвета, электрического заряда, магнитной полярности, от того, твердая она или мягкая, большая или маленькая. Все другие силы в природе зависят от точной природы материи, на которую они действуют. Например, магнитные силы действуют только на магнитные материалы. Но тяготение – это общее свойство всей Вселенной, действующее на все виды материи. Но что оно собой представляет?

Ученым известно, что вся материя обладает своего рода «упрямством», именуемым массой. Свойство части материи, называемое массой, обращаясь ко всей остальной

Вселенной, говорит что-то вроде: «Позвольте мне двигаться по прямой, или я буду сопротивляться. Я сопротивляюсь, когда меня толкают или ускоряют. Коль скоро я двигаюсь посвоему пути, я буду оставаться на нем, пока вы не принуждаете меня поступать иначе!»

Вот так примерно говорила бы масса, если бы могла разговаривать. Иными словами, вся материя обладает массой: чем больше масса, тем больше сопротивление ускорению и изменению. Что же касается природы массы, то мы можем лишь говорить, что она упряма и противится изменению [32] . Масса обладает инерцией, и для ускорения массы необходима сила. Большие планеты обладают большой массой, что означает сильное тяготение или эквивалентную ему большую кривизну пространства вокруг них.

32

В современной физике считается, что всем силам взаимодействия в природе соответствуют элементарные частицы, являющиеся переносчиками соответствующих видов взаимодействия (или квантами соответствующего поля). По мнению ученых, ответ на вопрос о природе массы должен дать предстоящий запуск гигантского ускорителя на встречных пучках (коллайдера) в Церне, в котором будут сталкиваться частицы, движущиеся с огромными скоростями. Физики надеются обнаружить среди осколков этих частиц особую элементарную частицу – «икс-бозон», ответственную за природу массы. Некоторые ученые даже предполагают, что при работе коллайдера могут возникать микроскопические черные дыры. (Примеч. пер.)

Чтобы лучше понимать связь между массой и кривизной, вернемся к нашим рисункам эксперимента с лифтом. На этот раз сделаем в стенке лифта отверстие, через которое могут пролетать пули, выпущенные из пистолета.

Рис. 30.3. Что заставляет пули падать?

Когда мы стреляем из пистолета, оказывается, что пули не летят прямо, а падают. Поскольку имеется сила, тянущая лифт вверх, человек в лифте увидит, что пули падают на пол. Для человека в лифте, если бы лифт не ускорялся под действием крана или если бы на него не действовало тяготение, пули двигались бы прямо и попадали в стенку на противоположной стороне. Но поскольку лифт ускоряется, человек в нем видит, что пули падают.

С точки зрения Эйнштейна, весь лифт и, разумеется, его пол, движутся вверх навстречу пулям, но человеку в лифте кажется, что пули движутся вниз. Из прошлого опыта этот человек знает, что мяч или пуля падают под действием силы тяготения. Но его прошлый опыт не абсолютная истина!

С точки зрения Эйнштейна, пули стараются двигаться по прямой вследствие своей массы, а пол поднимается навстречу пулям в результате действия ускоряющей силы крана.

Свет, обладающей и волновыми, и корпускулярными свойствами, можно представлять себе как поток частиц, подобных пулям. Свет будет вести себя более или менее так же, как пули, несмотря на то что свет, в отличие от пуль, не имеет никакой массы.

Эйнштейн рассуждал, что поскольку свет будет стараться идти по прямой, то, если лифт ускоряется, свет, при прохождении через ускоряющийся ящик, будет выглядеть «падающим», как это было бы вблизи огромной планеты, воздействующей на него силой тяготения. Даже хотя свет не имеет массы, его путь выглядел бы искривляющимся. Поскольку об ускорении можно говорить как об изменениях в пространстве и времени (или искривлении пространства-времени), мы с тем же успехом можем сказать, что свет искривляется потому, что пространство вокруг этого лифта и внутри него искривлено. Основанием для этого служит то, что, согласно принципу эквивалентности, тяготение действует так же, как кривые в пространстве и времени.