Наука Плоского мира. Книга 3. Часы Дарвина
Шрифт:
Вероятно, именно Хинтон показал Уэллсу возможность использования времени в качестве четвертого измерения. Прямых свидетельств, которые бы это подтверждали, нет, но тем не менее вероятность того, что это правда, высока. Ньюком, несомненно, был знаком с Хинтоном: однажды он устроил Хинтона на работу. Мы не знаем, встречался ли с Хинтоном Уэллс, но на их явную связь указывают косвенные свидетельства. К примеру, термин «научный роман» впервые был использован Хинтоном в заголовке его сборника фантастических эссе 1884 и 1886 годов, а потом Уэллс применил его в отношении собственных рассказов. Более того, Уэллс был постоянным читателем «Природы», в которой в 1885 году публиковался обзор «Научных романов» Хинтона (причем положительный) и обобщались некоторые идеи о четвертом измерении.
Другая
25
См. книгу Эдвина Эббота и Йена Стюарта «Флатландия с комментариями» («The Annotated Flatland», Basic Books, 2002).
Физика путешествий во времени по большей части сводится к общей теории относительности с примесью квантовой механики. Волшебники Незримого Университета списывают все на «кванты»: ведь их можно использовать как универсальную карточку «Покиньте тюрьму» в «Монополии» – то есть объяснить практически все, что угодно, каким бы странным оно ни казалось. Даже наоборот, чем оно страннее, тем лучше для квантов. Уже скоро, в восьмой главе, вы получите изрядную порцию квантов. А пока мы подготовим почву, рассмотрев основные положения теорий относительности Эйнштейна – специальной и общей.
Как мы уже объясняли в «Науке Плоского мира», «относительность» – это нелепое название. Здесь было бы правильнее говорить об «абсолютности». Вся суть специальной относительности заключается в том, что не «все относительно», но одна величина – скорость света – неожиданно абсолютна. Зажгите фонарик в движущейся машине, говорит Эйнштейн: скорость света не увеличится оттого, что к ней прибавится скорость машины. Это резко контрастирует со старомодной физикой Ньютона, согласно которой свет движущегося фонарика двигался бы быстрее после прибавления скорости машины к его собственной. А если бросить из машины мяч, то его скорость действительно увеличится. Со светом должно быть то же самое, но этого не происходит. Такие опыты потрясают человеческое восприятие, но показывают, что Круглый мир и в самом деле ведет себя релятивистски. Мы не замечаем, что различия между физикой Ньютона и Эйнштейна становятся заметны лишь тогда, когда скорость приближается к скорости света.
Специальная относительность была неизбежна; ученые не могли не задуматься о ней. Ее корни уходят в 1783 год, когда Джеймс Клерк Максвелл вывел свои уравнения электромагнетизма. Они имеют смысл в «подвижной системе координат» – когда наблюдения ведет движущийся наблюдатель, – и только если скорость света абсолютна. Несколько математиков, в числе которых были Анри Пуанкаре и Герман Минковский, поняли это и опередили Эйнштейна на уровне математики. Однако с точки зрения физики эти идеи были впервые серьезно рассмотрены уже Эйнштейном, который в 1905 году указал на странную природу физических последствий. По мере приближения к скорости света предметы уменьшаются, время замедляется, а масса становится бесконечной. Ничто (ну, или ничто материальное) не может перемещаться быстрее света, а масса способна превращаться в энергию.
В 1908 году Минковский обнаружил простой способ выражения релятивистской физики, ныне известной как пространство-время Минковского. В Ньютоновой физике пространство имеет три неподвижные координаты – влево-вправо, вперед-назад, вверх-вниз. Пространство и время считались независимыми друг
Это видно из релятивистского описания движущейся частицы. В Ньютоновой физике частица находится в пространстве и перемещается с течением времени. Подход Ньютона к природе движущейся частицы похож на просмотр кинофильма. А теория относительности рассматривает ее как последовательность неподвижных кадров, составляющую фильм. Это явно делает теорию относительности детерминистичной. К моменту, когда вы начинаете смотреть фильм, его кадры уже существуют. Прошлое, настоящее и будущее уже в нем. Время течет, фильм идет, мы узнаём, что нам уготовано судьбой – но на самом деле судьба неизбежна и неотвратима. Да, кинокадры, вероятно, могли бы возникать поочередно – так, чтобы самым новым из них всегда был текущий кадр, – но это невозможно делать последовательно для каждого наблюдателя.
Релятивистское пространство-время = геометрический рассказий.
С точки зрения геометрии траектория движущейся точки образует кривую. Представьте, будто частица – это кончик карандаша, пространство-время – лист бумаги, при этом пространство проложено горизонтально, а время – вертикально. Карандаш движется, оставляя за собой след на бумаге. Точно так же частица оставляет за собой в пространстве-времени кривую, называемую мировой линией. Если частица перемещается с постоянной скоростью, мировая линия получается прямой. Частицы, которые перемещаются очень медленно, преодолевают малое расстояние в пространстве за большой промежуток времени – поэтому их мировые линии почти вертикальны. Частицы, которые перемещаются очень быстро, преодолевают большое расстояние в пространстве за малый промежуток времени – поэтому их мировые линии почти горизонтальны. Между ними лежат диагональные мировые линии, которые соответствуют частицам, преодолевающим определенное расстояние в пространстве за равнозначный ему промежуток времени – если измерять его в правильных единицах. Такие единицы выбраны таким образом, чтобы соотноситься посредством скорости света – скажем, если для времени это годы, то для расстояния – световые годы. Что преодолевает расстояние в один световой год за один год времени? Конечно, свет. Тогда диагональные мировые линии соответствуют частицам света, фотонам, или еще чему-нибудь, что перемещается с такой же скоростью.
В рамках теории относительности тела не могут перемещаться быстрее света. Мировые линии таких тел называются времениподобными кривыми. Проходя через заданное событие, эти кривые образуют «световой конус». Хотя на самом деле это как бы два конуса, соединенных острыми концами так, что один направлен вперед, а другой назад. Конус, направленный вперед, описывает будущее события, все точки в пространстве-времени, на которые оно может повлиять. Конус, направленный назад, описывает его прошлое, события, которые могли повлиять на него. Все остальное – запретная территория, все где и когда, которые не имеют никакого отношения к заданному событию.
Пространство-время Минковского называют «плоским», так как оно описывает движение частиц при отсутствии сил, воздействующих на них. Силы влияют на движение, и наиболее значительная среди них – гравитация. Эйнштейн придумал общую теорию относительности, чтобы включить гравитацию в специальную теорию. В Ньютоновой физике гравитация – это сила: она притягивает частицы, не давая им описывать прямые линии, которым они естественно следовали бы, если бы на них не действовали никакие силы. В общей теории относительности гравитация – это геометрическое свойство вселенной, форма искривления пространства-времени.