Уставы небес, 16 глав о науке и вере

Кацнельсон Михаил Иосифович

В форме, приданной максвелловской электродинамике Г. Лоренцем, за эфиром осталась одна-единственная функция: быть привилегированной системой отсчета. Это можно пояснить с помощью простой аналогии. В ньютоновской механике относительно движение тел в пустоте, но не в среде. Скажем, акустические явления протекают по-разному при движении источника звука и при движении его приемника, несмотря на то, что относительная скорость источника и приемника может быть одинакова в обоих случаях. Дело в том, что для звука существует выделенная система отсчета - та, в которой воздух покоится. Аналогичная система отсчета была и в электродинамике Максвелла-Лоренца - та, относительно которой покоится эфир. Однако многочисленные эксперименты, поставленные с целью обнаружить эффекты движения Земли относительно эфира, неизменно давали отрицательный результат. В конце концов это привело к формулировке (независимо А.Эйнштейном и А.Пуанкаре) специального принципа относительности - утверждения о невозможности обнаружить абсолютное движение никакими экспериментами. В результате

эфир оказался ненаблюдаемым, и это понятие было изгнано из физики (хотя оно продолжает играть большую роль в восточных философских системах). За этот шаг пришлось заплатить радикальным пересмотром старых понятий о пространстве и времени. Дело в том, что из законов электродинамики - уравнений Максвелла - следует, что свет в пустоте может распространяться только со строго определенной скоростью. Так как скорость любого движения относительна, предполагалось, что это утверждение относится к вполне определенной системе отсчета - той, в которой эфир покоится. Сейчас пришлось постулировать постоянство скорости света относительно произвольной системы отсчета (строго говоря, в специальной теории относительности Эйнштейна и Пуанкаре речь идет только об инерциальных системах отсчета, связанных равномерными и прямолинейными движениями). Это очевидно несовместимо с классическим законом сложения скоростей.

Проведенный Эйнштейном детальный анализ понятия скорости и тесно связанных с ним понятий длины и промежутка времени привел к выводу об относительности последних, то есть, например, о зависимости длительности какого-то процесса, измеренного движущимися часами, от скорости их движения. Не имея возможности излагать физическую суть теории относительности более подробно, отсылаем читателя к многочисленным популярным изложениям и учебникам (см., напр., М. Борн, Эйнштейновская теория относительности, М., Мир, 1972; Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс, Фейнмановские лекции по физике, т. 2, М., Мир, 1965). Важно лишь подчеркнуть, что в теории относительности время и пространство формируют единый четырехмерный континуум, в котором со временем связана четвертая мнимая (в математическом смысле!) координата. Это утверждение на самом деле носит достаточно формальный характер, и никто никогда не понимал его в смысле физической тождественности временной и пространственных координат. В теории относительности имеет место очень важное разделение между событиями, связанными времениподобными интервалами (это означает, что существует такая система отсчета, в которой эти события происходят в одной и той же точке пространства) и пространственноподобными интервалами (это означает, что существует такая система отсчета, в которой эти события происходят в один и тот же момент времени); причинно связанными между собой могут быть только события первого типа. Различие между времениподобными и пространственноподобными интервалами является абсолютным и играет в теории относительности ту же роль, что различие между временем и длиной в ньютоновской физике. Дальнейшее обсуждение этих вопросов дано в гл. 14.

Важным выводом теории относительности является утверждение о том, что скорость света в вакууме - это предельная скорость распространения любых взаимодействий в природе. Таким образом, теория относительности принципиально исключает мгновенное дальнодействие. Нелишне отметить, что это положение столь прочно укоренено в основах современной физики, что любые попытки строить, скажем, теории мгновенно действующего "биополя" для объяснения парапсихологических явлений по образцу "нормальной" физической теории поля следует признать несостоятельными. Мы не обсуждаем здесь вопрос о реальном существовании такого дальнодействия, а хотим лишь подчеркнуть, что язык современной физики безусловно неприспособлен для описания соответствующих феноменов, если они существуют (здесь уместно еще раз напомнить о введенном Юнгом различии между причинностью и синхронистичностью). С точки зрения человека, вопрос о взаимодействии и нелокальной связи явлений ассоциирутеся с магией.

По тонкому замечанию М.М. Сперанского, первый человек, до своего грехопадения, не замечал своей наготы потому, что таковой не было: весь мир был телом царя тварей, и потому не было определенного места в мире, про которое можно было сказать: "Вот нагота тела". Но когда единство с миром было разорвано грехом, тогда только небольшая область действительности стала более-менее беспрекословно подчиняться непосредственным велениям воли; явилась граница власти воли, предел ее непосредственной мощи... Но эта граница не может рассматриваться как безусловная... Магия, в этом отношении, могла бы быть определена как искусство смещать границу тела против обычного ее места (П.А. Флоренский, У водоразделов мысли, ч.2).

У тебя есть душа от каждого тела, И они связаны одной нитью. Ты - в сердцевине мира, потому и в середине, Познай себя, ибо ты душа мира (Шабустари).

Из существования предельной скорости распространения взаимодействий следует несуществование абсолютно твердых тел, так как последнее, по определению, должно перемещаться лишь жестко, т.е. как единое целое. Но воздействие на какую-либо точку этого тела способно дойти до другой ее точки лишь за конечное время; в течение этого времени первая точка пройдет

какое-то расстояние, а вторая останется неподвижной, то есть тело неизбежно деформируется. В то же время, выше подчеркивалось, что гипотеза о существовании твердых тел лежит в основе геометрии. Таким образом Эйнштейн пришел к выводу, что пространство-время может описываться лишь такой геометрией, которая имеет дело с локальными характеристиками. Такая геометрия была построена еще в XIX веке Риманом и описывает пространство, свойства которого изменяются от точки к точке по определенным законам. В частности, может меняться кривизна этого пространства. Грубо говоря, геометрия может быть близка к евклидовой, если рассматривать свойства достаточно маленьких фигур в одной части пространства, быть похожей на геометрию Лобачевского в некоторой другой области, быть подобной геометрии на поверхности сферы где-то еще, и т.д.. В инерциальной системе отсчета геометрия пространства-времени евклидова (точнее, псевдоевклидова из-за мнимости временной координаты). Но мы не можем знать, инерциальна ли наша система отсчета как целое - мы знаем лишь то, что происходит здесь и сейчас. А в малых областях пространства движение по инерции неотличимо от свободного падения под действием тяготения (явление невесомости). Следовательно, пространство и время оказываются "перепутанными" c явлениями тяготения (гравитации), что и составляет суть общей теории относительности Эйнштейна.

Согласно ОТО, гравитация - это искривление пространства-времени. Наглядно можно представить себе пространство и время в виде туго натянутой пленки с координатными и временными осями (в четырехмерном псевдоевклидовом пространстве, так что наглядность тут относительна). Любое материальное тело деформирует эту пленку, а другое тело "скользит" по этой деформированной пленке, и это и есть всемирное тяготение. Теория тяготения Ньютона формально может быть выведена из этой картины как предельный случай слабой гравитации и медленных движений (с небольшими поправками, которые приводят к таким наблюдаемым эффектам как смещение перигелия Меркурия, отклонение лучей света вблизи поверхности Солнца, и др.), однако сам дух теории тяготения Эйнштейна совершенно иной - это типичная теория близкодействия.

Для нашей темы наиболее важно, что уравнения гравитационного поля Эйнштейна связывают характеристики пространства-времени с распределением и движением материи (еще более радикальный подход предполагает так называемый принцип Маха, согласно которому все законы физики определяются распределением материи во Вселенной; впрочем, сыграв лишь роль "строительных лесов" при создании ОТО, он не входит в современную физическую картину мира):

Идея независимого существования пространства и времени может быть выражена следующим образом: если бы материя исчезла, то осталось бы только пространство и время (как своего рода сцена, на которой разыгрываются физические явления). Эта точка зрения была преодолена в результате возникновения новых идей... Таким образом, Декарт был не так уж далек от истины, когда полагал, что существование пустого пространства должно быть исключено. Эта точка зрения казалась абсурдной до тех пор, пока физическую реальность видели исключительно в весомых телах. Потребовалась идея поля, как реального объекта в комбинации с общим принципом относительности, чтобы показать истинную сущность идеи Декарта: не существует пространство, "свободное от поля" (А. Эйнштейн, Собр. научн. трудов, т. 2, с. 750, 758).

Такое понимание пространства имеет некоторые аналогии с точкой зрения традиционализма (если обращать внимание не на оценку взглядов конкретно Декарта, а на содержательную сторону утверждений):

Возражение, что в исходной точке этой теории [Декарта] лежит "пустое пространство", не имеет силы, так как, во-первых, это приводит нас к концепции содержащего без содержимого, и к тому же пустота не имела бы в нашем проявленном мире никакого места, поскольку она сама не есть возможность проявления, и во-вторых, поскольку Декарт сводил природу тел целиком к протяженности, то он должен был полагать, что их присутствие ничего не добавляет в действительности к тому, что есть протяженность сама по себе...

Действительно, однородное пространство вовсе не имеет никакого существования в собственном смысле слова, так как оно есть не более, чем полная виртуальность (Р. Генон, Царство количества и знамения времени, с.34, 37).

Последние слова Генона горячо поддерживаются в работах А.Ф. Лосева.

И недаром на последнем съезде физиков в Москве пришли к выводу, что выбор между Эйнштейном и Ньютоном есть вопрос веры, а не научного знания самого по себе. Одним хочется распылить Вселенную в холодное и черное чудовище, в необъятное и неизмеримое ничто; другим же хочется собрать Вселенную в некий конечный и выразительный лик с рельефными складками и чертами, с живыми и умными энергиями (Диалектика мифа).

Одним из важнейших приложений ОТО было создание релятивистской космологии - физической теории, описывающей всю Вселенную (иногда, ради осторожности, говорят "наблюдаемую часть Вселенной или Метагалактику"). Соответствующие результаты уместно будет рассмотреть в главе 15, посвященной природе времени. Здесь мы упомянем подтвержденное астрономическими наблюдениями явление - превращение на определенной стадии эволюции тяжелых звезд в "черные" дыры, т.е. замыкание на себя пространства и времени в сильном гравитационном поле.