Квантовый ум. Грань между физикой и психологией

Минделл Арнольд

Тяготение – или эквивалентное ему искривленное пространство-время – изгибает лучи света. Принцип эквивалентности утверждает, что поскольку тяготение эквивалентно ускорению (то есть кривым в пространстве-времени), то для достижения эффекта тяготения должно быть искривлено само пространство вблизи большой планеты. Иными словами, Эйнштейн понял: то, что Ньютон считал тяготением, представляет собой искривленное пространство-время.

При таком понимании тяготение перестает быть главной силой; вместо этого, оно становится проявлением искривленного пространства-времени. Кривизна – свойство подобное массе. Пространства вокруг нас искривляются в определенные времена и в определенных местах, и само пространство, в котором

мы живем, действует на нас подобно субстанции!

Вывод, к которому пришел Эйнштейн, состоял в том, что свет искривляется из-за тяготения, то есть из-за искривления пространства.

Вам может показаться, что вся эта концепция слишком далека от повседневного опыта, чтобы быть правдоподобной. Но вы можете доверять своему чувству сновидения больше, чем повседневному опыту. Вы знаете, что когда вещи «становятся тяжелыми», кажется, что они искажают все вокруг. Но прежде чем углубляться далее в измененные состояния, давайте вернемся к физике.

Оказывается, что когда ученые действительно измеряли свет вблизи тяжелых планет, лучи света на самом деле изгибались под действием тяготения. Астрономы дожидались солнечного затмения и измеряли, как свет от других звезд изгибается в пространстве вблизи больших планет. Они обнаружили, что вычисления Эйнштейна были верны. Когда эти астрономы подтвердили, что пространство-время искривляется, это наделало много шума в научном сообществе.

Рис. 30.4. Искривление света и пространства-времени вблизи массивной планеты

Поскольку пространство вокруг тяжелой планеты искривлено, если свет, излучаемый яркой звездой в верхнем левом углу (рис. 30.4), проходит вблизи Солнца, то он будет казаться наблюдателю на Земле приходящим от звезды справа, а не оттуда, где действительно находится звезда. Эксперименты показали, что луч света от таких звезд изгибается, когда поблизости есть тяжелая планета или звезда, наподобие Солнца. Чем больше тяготение, тем больше искривляется путь света.

Вы вспомните, что черная дыра – это звезда, которая становится такой плотной, что втягивает в себя лучи света, пытающиеся пройти мимо нее. Таким образом, если тяжелая планета – это не Солнце, а самая плотная из всех планет, а именно черная дыра, то тяготение настолько искривляет пространство, что оно замыкает свет внутри себя.

Рис. 30.5. Из-за черной дыры наблюдатель вообще не видит звезды!

Свет старается следовать пространству; если пространство не искривлено, он движется по прямой линии. Но если лучи света искривляются, то, исходя из принципа эквивалентности, можно предполагать, что либо искривлено само пространство-время, либо поблизости есть большая планета, обладающая сильным тяготением. Что касается Эйнштейна, то он просто считал, что тяготение искривляет пространство-время.

Тяготение – это кривизна в пространстве-времени

По-другому это можно выразить следующим образом: то, что мы называем тяготением, представляет собой мощное воздействие, исходящее от, в иных отношениях скрытой, кривизны пространства-времени. Вкратце, в этом и состоит общая теория относительности без связанной с ней математики.

Вы можете думать о пространстве-времени так же, как думаете о своем матраце. Пространство вокруг черной дыры выглядело бы наподобие того,

как выглядит ваш матрац, когда вы стоите на нем одной ногой. Остальной матрац остается более или менее плоским, но вблизи вашей ступни, то есть вблизи черной дыры, матрац проминается. Если вы достаточно тяжелы, в матраце образуется яма.

Пространство вокруг звезд тоже прогибается. Если только звезда не очень массивна, наподобие черной дыры, впадина не слишком велика. Когда вокруг мало массы, вполне можно использовать евклидову геометрию для плоского пространства. Но если бы вы двигались вблизи черной дыры, то были бы подобны муравью, находящемуся рядом с глубокой вмятиной в вашем матраце. Вы внезапно ощущаете огромное изменение в своем нормальном пути; ваша скорость изменяется, и вы начинаете падать в дыру.

Искривленное пространство ускоряет вещи так, как если бы оно было тяготением. Иными словами, то, что мы называем материей, – это термин общепринятой реальности, эквивалентный кривизне пространства времени в теории относительности². Согласно Эйнштейну, тяготение – это свойство геометрии. То, что, с одной точки зрения, является материей, с другой – представляет собой кривизну пространства-времени.

В общепринятой реальности масса ассоциируется с тяготением и не имеет никакого отношения к форме пространства. Относящееся к ОР понятие тяготения начинает становиться менее значимым, когда дело касается теории относительности, точно так же, как понятие частицы, как мы видели ранее, начинает терять свой смысл в квантовой механике.

Вычисления, которые мы можем делать с помощью математики Римана и Эйнштейна, говорят нам, насколько в точности изгибается луч света, проходя вблизи тяжелой планеты. Поскольку эти вычисления подтверждаются экспериментами, общая теория относительности сегодня считается огромным достижением по сравнению с формулами Ньютона, которые не позволяют делать точные предсказания относительно света. Математика теории относительности показывает, что форма пространства-времени Вселенной в любой точке зависит от количества имеющейся повсюду материи.

Со времени Возрождения западная мысль рассматривала пространство как вакуум, отсутствие, пустоту без формы и смысла. С появлением теории относительности, это представление изменилось. Пространство-время становится своего рода материальной субстанцией, а понятия материи и тяготения сменяются кривизной пространства-времени [33] .

В этом новом мировоззрении геометрия неотделима от субстанции. В общей теории относительности Эйнштейна пространство перестает быть абстрактным понятием и становится местом, подобным субстанции, в котором мы все живем.

33

Геометро-динамическая теория гравитации, предложенная физиком Джоном

Уиллером, показывает, что все свойства элементарных частиц как «первичных кирпичиков» материи допускают чисто геометрическую интерпретацию. (Примеч. пер.)

Примеры кривизны и тяготения

Чтобы все это было легче понять в повседневной жизни, представим себе, что мы можем видеть автомобили, несущиеся по кольцевой гоночной трассе, – эту аналогию придумали астрономы Алан и Хилари Райт. Вы думаете: «Ух ты! Эти машины, несущиеся по кругу, должно быть, ведут опытные гонщики. Или, возможно, их удерживает какая-то волшебная проволока, закрепленная в центре круга». Но чем ближе вы подходите, тем яснее видите, что в машинах нет никаких гонщиков; более того, нет ничего, чтобы удерживало машины на трассе! Вместо этого вы видите, что сама трасса искривлена таким образом, что машины могут двигаться только по кругу.