Глава 12. Пространство-время

Современная физика подтвердила одно из основных положений восточного мистицизма, что все используемые нами для описания природы понятия ограничены, что они являются не свойствами действительности, как кажется нам, а продуктами мышления — частями карты, а не местности. При любом расширении сферы наших знаний становится очевидной ограниченность возможностей рационального мышления, и нам приходится изменить некоторые из наших понятий, или даже отказаться от них.

Например, классическая физика признает, что длины движущегося и покоящегося стержня одинаковы. Однако теория относительности обнаружила ложность этого утверждения. Длина объекта зависит от его движения относительно наблюдателя и изменяется в зависимости от скорости. Это изменение таково: объект сокращается в направлении движения. Максимальную длину стержень имеет в той системе координат, в которой он покоится, а при увеличении скорости относительно наблюдателя он становится короче.

Важно понимать, что вопрос об "истинной" длине объекта не имеет смысла, как и вопрос об истинной длине вашей тени. Тень — это проекция точек, находящихся в трехмерном пространстве, на двухмерную плоскость, и ее длина зависит от угла проецирования. Точно так же длина движущегося объекта — это проекция точек, находящихся в четырехмерном пространстве-времени, в трехмерном пространстве, и его длина зависит от выбора системы координат.

"Абсолютное спокойствие — это мгновение настоящего, хотя оно заключено в этом моменте, этот момент не имеет границ, и в этом — вечное наслаждение". ХУЭЙ-НЭН

Практически невозможно рассказать об ощущении бесконечности и безвременности настоящего, поскольку слова типа "безвременный", "настоящее", "прошлое", "мгновение" и т. д. относятся к довольно условным представлениям о времени. Поэтому сложно осознать истинное значение выше приведенных высказываний мистиков, однако современная физика, опять же, может нам помочь, изобразив графически, каким образом ее теории преодолевают ограниченность обычных представлений о времени.

В релятивистской физике история объекта — скажем, частицы — может быть запечатлена на так называемом "пространственно-временном графике" (см. рис. 20). На этих графиках горизонтальная ось соответствует пространству, а вертикальная — времени. Путь частицы в пространстве-времени называется ее "мировой линией". Если частица покоится, она, тем не менее, движется во времени, и ее мировая линия в данном случае представляет собой вертикальную линию. Если частица перемещается в пространстве, ее мировая линия становится наклонной: чем значительней наклон, тем выше скорость частицы. Заметим, что во времени частицы могут двигаться только вверх, в то время как в пространстве они способны перемещаться как вправо, так и влево. Их мировые линии могут приближаться к горизонтали, но никогда не совпадают с последней, так как это означало бы, что перемещение частицы от одной точки в другую происходит мгновенно.

Пространственно-временные графики используются в релятивистской физике для изображения взаимодействия между различными частицами. Процесс столкновения или "рассеивания" электрона и протона можно представить в виде графика на рис. 21. Этот график прочитывается следующим образом (снизу вверх согласно течению времени): Электрон, обозначенный как е^— из-за своего отрицательного заряда, сталкивается с фотоном, обозначенным как g "гамма"; электрон поглощает фотон, продолжая движение с несколько изменившейся скоростью; через некоторое время электрон испускает фотон, и восстанавливает первоначальное направление движения.

Для продолжения разговора о пространственно-временных графиках достаточно познакомиться с двумя наиболее характерными особенностями этой теории. Первая заключается в том, что все взаимодействия сводятся к возникновению и исчезновению частиц; вторая имеет отношение к принципиальной симметричности частиц и античастиц. Для каждой частицы существует аналогичная античастица с такой же массой и противоположным зарядом. Так, античастица электрона называется "позитрон" и обычно обозначается как е⁺. Для фотона, не имеющего электрического заряда, античастицей будет сам фотон. Фотон может спонтанно распадаться на позитрон и электрон, а последние, в свою очередь, могут объединиться и образовать фотон при обратном процессе аннигиляции.

Существует уловка, которая позволяет существенно упростить пространственно-временные графики. Стрелка на мировой линии используется в данном случае не для обозначения направления движения частицы, так как очевидно, что все частицы движутся во времени вперед, а по графику (рис. 20), соответственно, вверх. Стрелка используется для того, чтобы провести различие между частицами и античастицами: если стрелка направлена вверх, мы имеем дело с частицей (например, с электроном), а если она указывает вниз, перед нами — античастица (соответственно, позитрон). Фотон, который является античастицей сам для себя, мы будем обозначать линией без стрелки. Внеся эту модификацию, мы можем смело отказаться от всех подписей на графике, не рискуя при этом впасть в ошибку: все линии со стрелками обозначают электроны, все линии без стрелок — фотоны. Для дальнейшего упрощения графика нам следует отказаться от осей координат пространства и времени, памятуя о том, что ось времени имеет направление снизу вверх, а продвижение в пространстве направлено слева направо. В результате пространственно-временной график, изображающий столкновение фотона с электроном, приобретает следующий вид (см. рис. 22):

Для того, чтобы построить график, изображающий столкновение фотона с позитроном, требуется только изменить направление стрелок (см. рис. 23):

До сих пор мы не встретили на пространственно-временных графиках ничего необычного. Мы читали их снизу вверх, следуя подсказке наших условных представлений о линейном течении времени. Однако дело принимает совсем другой, неожиданный оборот при построении графиков столкновения фотона с позитроном. Математические формулы теории поля предоставляют возможность двоякой интерпретации подобного графика: на нем можно увидеть либо позитроны, перемещающиеся во времени вперед, или же электроны, ПЕРЕМЕЩАЮЩИЕСЯ ВО ВРЕМЕНИ НАЗАД! В математическом отношении эти два варианта абсолютно идентичны: движение античастицы из прошлого в будущее и движение частицы из будущего в прошлое выражаются при помощи одной и той же формулы. Следовательно, мы можем утверждать, что два наших графика (рис. 24) — один и тот же процесс, разворачивающийся во времени в различных направлениях. На обоих графиках мы вправе увидеть столкновение фотона и электрона, и разница между ними будет заключаться только в том, что в первом случае частицы движутся во времени вперед, а во втором случае — в противоположном направлении. (Прерывистые линии всегда обозначают движение фотона, вне зависимости от направления его движения во времени, так как античастицей для фотона является он сам).

Следовательно, в релятивистской теории взаимодействия частиц мы обнаруживаем полную временную симметрию. Для каждого процесса существует точно такой же процесс, развертывающийся в обратном направлении во времени, в котором принимают участие античастицы. Правда, последние экспериментальные данные позволяют сделать предположение о том, что это положение, по всей видимости, не может быть применено к специфическому процессу, носящему название "сверхслабого взаимодействия".

Рассмотрим процесс, изображенный на рис. 25, для того, чтобы убедиться в том, что эта удивительная особенность мира субатомных частиц оказывает самое сильное воздействие на наши представления о пространстве и времени.

При традиционном прочтении графика, снизу вверх, мы интерпретируем его следующим образом: электрон е^—, изображенный сплошной линией, сближается с фотоном, изображенным пунктиром; в точке А фотон преобразуется в электронно-позитронную пару, электрон удаляется вправо, а позитрон — влево; затем позитрон сталкивается с первым электроном в точке В, происходит процесс аннигиляции, результатом которого является возникновение фотона, движущегося влево.

Этот процесс можно рассмотреть и как взаимодействие двух фотонов с одним и тем же электроном, дважды изменяющим направление своего движения во времени. В последнем случае мы руководствуемся указаниями стрелок на линии электрона на всем протяжении его пути; электрон перемещается в точку В, испускает фотон и начинает двигаться в прошлое до точки А; здесь он поглощает исходный фотон и снова начинает двигаться в будущее. В определенном смысле, второй вариант гораздо проще первого, так как в нем мы имеем дело с мировой линией одной частицы. С другой стороны, при этом мы сталкиваемся с серьезными языковыми проблемами. Электрон перемещается "сначала" в точку В, а "потом" в точку А; тем не менее, поглощение фотона в точке А предшествует эмиссии другого фотона в точке В.

Поскольку все частицы могут перемещаться во времени вперед и назад, точно также, как в пространстве им доступны перемещения как вправо, так и влево, будет, по меньшей мере, нелогично интерпретировать эти графики в терминах однонаправленности времени. Эти графики представляют собой четырехмерные пространственно-временные картины, к которым не применимо понятие последовательности во времени.

Пространство-время релятивистской физики представляет собой именно такое пространство, более высокого измерения, лишенное оков времени. Все явления, происходящие в нем, связаны друг с другом, но эти связи не носят причинно-следственного характера. Взаимодействия частиц могут быть описаны в терминах причин и следствий только в том случае, если мы читаем графики пространства-времени, последовательно двигаясь в том или ином направлении, например, снизу вверх. Если же видеть в них пространственно-временные паттерны без временной направленности, такие понятия, как "до" и "после", исчезают, и нет уже никакой причинной связи.

Сходным образом восточные мистики утверждают, что преодоление уз времени позволяет им оказаться в мире, в котором не существует ни причин, ни следствий. Подобно общепринятым представлениям о пространстве и времени, понятие причинности уместно только в рамках суженного, ограниченного мировосприятия. При расширении мировосприятия оно должно быть отвергнуто.