Для того чтобы понять, каким образом в высших измерениях упрощаются законы природы, вспомним, что каждый предмет имеет длину, ширину и высоту. Поскольку у нас есть возможность повернуть этот предмет на 90º, мы можем превратить его длину в ширину, а ширину – в высоту. Путем простого поворота мы можем менять местами три пространственных измерения. Далее, если время – четвертое измерение, значит, возможны и «повороты», превращающие пространство во время, и наоборот. Эти четырехмерные «повороты» – именно те искажения пространства и времени, которых требует специальная теория относительности. Иначе говоря, пространство и время неразрывно связаны и подчиняются теории относительности. Значение времени как четвертого измерения в том, что время и пространство можно поворачивать друг относительно друга математически точным образом. Отныне их следует рассматривать как два аспекта одного и того же целого – пространства-времени, или пространственно-временного континуума. Таким образом, добавление нового измерения помогло объединить законы природы.
Ньютон 300 лет назад считал, что повсюду во Вселенной время движется с одинаковой скоростью. Где бы мы ни были – на Земле, на Марсе или на далекой звезде, – часы повсюду идут одинаково. Предполагалось, что для всей Вселенной характерен абсолютно единообразный ход времени. «Повороты» времени и пространства казались немыслимыми. Время и пространство – две совершенно разные величины, между которыми нет никакой связи. Никому и в голову не приходило объединять их в одно целое. Но согласно специальной теории относительности темп времени может быть разным, в зависимости от того, насколько быстро оно движется. Время – четвертое измерение, и это означает, что оно неразрывно связано с движением в пространстве. Скорость, с которой часы отсчитывают минуты, зависит от того, насколько быстро они движутся в пространстве. Сложные эксперименты с атомными часами, отправленными на околоземную орбиту, подтвердили, что часы на Земле и часы в космосе идут с разной скоростью.
Наглядное напоминание об этом принципе относительности я увидел, когда меня пригласили на встречу выпускников по случаю двадцатилетия окончания школы. С большинством одноклассников после завершения учебы я не виделся, но полагал, что внешность любого из них отмечена одними и теми же красноречивыми признаками старения. Как и ожидалось, на вечере встречи большинство присутствующих с облегчением обнаружили, что процесс старения неизбежен: у всех начинали седеть виски, увеличилась окружность талии, появились морщины. Хотя нас разделяло пространство и время, а именно – расстояние до нескольких тысяч миль и 20 лет, все мы считали, что время движется для всех нас с одинаковой скоростью. И само собой, мы полагали, что стареем в одном и том же темпе.
А потом я задумался и представил себе, что было бы, если бы кто-нибудь из моих одноклассников явился на вечер встречи, сохранив точно такой же облик, как в день выпускного бала. Сначала он оказался бы под прицелом внимательных взглядов бывших одноклассников: на самом ли деле это тот человек, которого мы знали 20 лет назад? А когда одноклассники убедились бы, что это действительно он, зал охватила бы паника.
Эта встреча стала бы для нас потрясением: мы ведь по умолчанию полагали, что часы повсюду идут с одинаковой скоростью, даже если их разделяет огромное расстояние. Но, если время – действительно четвертое измерение, тогда пространство и время можно «повернуть» друг относительно друга и часы могут идти с разной скоростью в зависимости от того, насколько быстро они движутся. К примеру, наш одноклассник мог побывать на космическом корабле, скорость которого близка к скорости света. Для нас этот полет продолжался 20 лет. А для нашего одноклассника, время которого замедлилось в несущейся ракете, после выпускного бала прошло лишь несколько минут, на которые он и постарел. С его точки зрения, он только вошел в ракету, несколько минут провел в космосе, а потом вернулся на Землю – как раз вовремя, чтобы после короткого и приятного путешествия успеть на вечер встречи выпускников и выглядеть там юным и свежим на фоне обладателей седин.
Кроме того, к упрощению законов природы благодаря четвертому измерению я возвращаюсь всякий раз, когда вспоминаю свое первое знакомство с уравнениями Максвелла. Каждый студент, изучающий теорию электромагнетизма, несколько лет осваивает эти восемь абстрактных уравнений, на редкость безобразных и туманных. Эти восемь уравнений топорны и громоздки, они трудно поддаются запоминанию, потому что время и пространство в них рассматриваются по отдельности. (Мне до сих пор приходится заглядывать в справочники, убеждаясь, что я правильно записал все входящие в эти уравнения переменные и символы.) Как сейчас помню, какое облегчение я испытал, узнав, что эти уравнения преобразуются в одно и довольно простое, когда время рассматривается как четвертое измерение. Одним мастерским ударом четвертое измерение упростило эти уравнения прекрасным и очевидным способом{31}. Записанным таким образом уравнениям присуща высшая симметрия, т. е. пространство и время могут переходить одно в другое. Подобно прекрасной снежинке, которая выглядит одинаково, как бы мы ни вращали ее вокруг оси, уравнения Максвелла, записанные в релятивистской форме, остаются одними и теми же, когда мы методом «поворота» превращаем пространство во время.
Примечательно то, что одно простое уравнение, записанное в релятивистской форме, вмещает то же физическое содержание, что и восемь уравнений, первоначально записанных Максвеллом более 100 лет назад. В свою очередь, это единственное уравнение обуславливает свойства динамо-машин, радаров, радио, телевизоров, лазеров, бытовой техники и несметного множества потребительской электроники, какую можно увидеть в любой гостиной. Этот случай впервые открыл мне красоту в физике – показал, что симметричность четырехмерного пространства способна объяснить целое море физических знаний, которых хватило бы на техническую библиотеку.
Это еще раз подтверждает один из главных моментов данной книги: введение высших измерений помогает упростить и объединить законы природы.
Материя как конденсированная энергия
Ранее обсуждение вопросов объединения законов природы носило скорее абстрактный характер и осталось бы таким, если бы Эйнштейн не предпринял очередной решающий шаг. Он понял, что если пространство и время можно объединить в одну категорию, называемую пространство-время, то, вероятно, между ними есть и диалектическая связь. Если линейки сжимаются, а часы замедляют ход, рассудил он, тогда должно меняться и все то, что мы количественно оцениваем с помощью линеек и часов. Но в физической лаборатории с помощью линеек и часов измеряют почти все. Значит, физикам необходимо заново оценить все лабораторные величины, которые когда-то они считали постоянными.
К примеру, энергия – величина, которая зависит от того, как именно мы измеряем расстояния и временные промежутки. Экспериментальный автомобиль, на большой скорости врезающийся в кирпичную стену, явно обладает энергией. Но, если его скорость близка к скорости света, его свойства меняются. Автомобиль складывается гармошкой, часы в нем идут медленнее.
Более того, Эйнштейн обнаружил, что при увеличении скорости растет и масса автомобиля. Но откуда берется эта избыточная масса? Эйнштейн пришел к выводу, что из энергии.
Здесь напрашивались тревожные выводы. В число великих открытий в области физики XIX в. входил закон сохранения массы и энергии – иначе говоря, закон, согласно которому суммарная масса и суммарная энергия замкнутой обособленной системы остаются неизменными. Например, если автомобиль на большой скорости врезается в кирпичную стену, энергия автомобиля не исчезает, а преобразуется в звуковую энергию столкновения, кинетическую энергию разлетающихся осколков кирпича, тепловую энергию и т. д. Суммарная энергия (как и суммарная масса) до и после аварии остаются неизменными.
А теперь Эйнштейн утверждал, что энергия автомобиля может быть преобразована в массу – новый принцип сохранения, согласно которому суммарная величина массы и энергии, вместе взятых, всегда должна оставаться одинаковой. Материя не исчезает внезапно, энергия не берется ниоткуда. В этом отношении «богостроители» заблуждались, а Ленин был прав. Материя исчезает только с выбросом огромного количества энергии, и наоборот.
В возрасте 26 лет Эйнштейн точно подсчитал, как должно меняться количество энергии, если принцип относительности верен, и вывел соотношение Е = mc². Поскольку квадрат скорости света (с²) – астрономически большое число, небольшого количества материи достаточно для выброса огромного количества энергии. Мельчайшие частицы вещества – настоящие кладовые энергии, ее запасы более чем в миллион раз превосходят количество энергии, выделяющейся при химическом взрыве. В каком-то смысле материю можно считать почти не иссякающим источником энергии; иначе говоря, материя – конденсированная энергия.
