Леонард Сасскинд - Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики

Надо сказать, что поезд попался очень высокого качества. Рельсы, по которым он идет, столь гладкие, а подвеска у вагонов такая замечательная, что движение совершенно неощутимо для пассажиров. Жонглер усмехается и говорит сам себе: «Понятно. Я просто не заметил, как поезд затормозил и остановился. Пока мы не поедем, я могу упражняться обычным образом. Вернусь-ка я обратно к старым добрым правилам жонглирования». И тут все получается замечательно.

Вообразите же удивление жонглера, когда, взглянув в окно, он видит местность, уносящуюся назад со скоростью добрых 150 км/ч. Глубоко озадаченный жонглер просит разъяснений у своего друга клоуна (на самом деле гарвардского профессора физики на каникулах). И вот что отвечает клоун: «Согласно принципам ньютоновской механики, законы движения одинаковы во всех системах отсчета, если они равномерно движутся друг относительно друга. Поэтому правила жонглирования совершенно одинаковы и в системе отсчета, покоящейся на земле, и в системе отсчета, движущейся вместе с плавно идущим поездом. Невозможно обнаружить движение поезда с помощью какого-либо эксперимента, целиком выполняемого внутри железнодорожного вагона. Только взглянув в окно, можно сказать, что поезд движется по отношению к земле, и даже тогда вы не сможете сказать, что именно движется — поезд или земля. Все движения относительны». Пораженный жонглер берет свои шары и продолжает упражняться.

Все движения относительны. Движение железнодорожного вагона со скоростью 150 км/ч, движение Земли вокруг Солнца со скоростью 30 км/с и движение Солнечной системы вокруг галактики со скоростью 200 км/с — все это необнаружимо, пока протекает гладко.

Гладко? Что это значит? Рассмотрим жонглера в момент отправления поезда. Внезапно состав трогается. При этом не только пиры смещаются назад, но и сам жонглер может повалиться на Пол. Когда поезд останавливается, тоже происходит нечто подобное. Или, допустим, поезд проходит по резкому изгибу рельсов. Определенно во всех этих ситуациях правила жонглирования потребуют модификации. Что за новый ингредиент в них добавится? Ответ — ускорение.

Ускорение означает изменение скорости. Когда железнодорожный вагон начинает движение или когда он неожиданно останавливается, скорость меняется и возникает ускорение. А что в случае прохождения поворота? Это менее очевидно, но истина все же в том, что и тут скорость изменяется — не по величине, но по направлению. Для физика любое изменение скорости — как по величине, так и по направлению — это ускорение. Так что принцип относительности надо уточнить:

Законы физики одинаковы во всех системах отсчета, которые равномерно (без ускорения) движутся друг по отношению к другу. Принцип относительности был впервые сформулирован примерно за 250 лет до рождения Эйнштейна. И почему же тогда Эйнштейн так знаменит? Потому что он обнаружил очевидный конфликт между принципом относительности и другим принципом физики, который можно назвать принципом Максвелла. Как обсуждалось в главах 2 и 4, Джеймс Клерк Максвелл открыл современную теорию электромагнетизма — теорию всех электрических и магнитных сил в природе. Важнейшее достижение Максвелла состояло в раскрытии великой тайны света. Свет, доказал он, состоит из волн электрических и магнитных возмущений, движущихся сквозь пространство, подобно волнам по поверхности моря. Но для нас важнее всего то, что, как доказал Максвелл, свет в пустом пространстве всегда движется в точности с одной и той же скоростью — около 300 000 км/с2[87]. Именно это я и называю принципом Максвелла:

Независимо от того, как был порожден свет, он движется в пустом пространстве всегда с одной и той же скоростью.

Но теперь у нас возникает проблема — серьезное противоречие между двумя принципами. Эйнштейн был не первым, кто обеспокоился противоречием между принципом относительности и принципом Максвелла, но он более четко увидел проблему. И пока другие разбирались с экспериментальными данными, Эйнштейн, мастер мысленного эксперимента, разбирался с экспериментом, поставленным исключительно внутри его головы. По собственным воспоминаниям Эйнштейна, в 1895 году, когда ему было 16 лет, он сформулировал следующий парадокс. Представив себя в железнодорожном вагоне, движущемся со скоростью света, он наблюдает световую волну, движущуюся рядом с ним в том же направлении. Увидит ли он световой луч, стоящий неподвижно?

Во времена Эйнштейна не было вертолетной техники, но мы можем вообразить его парящим над морем со скоростью, в точности равной скорости океанских волн. Волны будут казаться застывшими. Точно так же, рассуждал шестнадцатилетний юноша, пассажир вагона (напоминаю, движущегося со скоростью света) обнаружит совершенно неподвижную световую волну. Каким-то образом в молодом возрасте Эйнштейн уже знал об уравнениях максвелловской теории достаточно для понимания того, что нарисованная им картина невозможна: принцип Максвелла гласит, что свет всегда движется с одинаковой скоростью. Если законы природы одинаковы во всех системах отсчета, тогда принцип Максвелла можно применить и к движущемуся поезду. Принцип Максвелла и принцип относительности Галилея шли лоб в лоб.

Эйнштейн расчесывал свой зуд десять лет, пока не нашел выхода из положения. В 1905 году он написал свою знаменитую статью «К электродинамике движущихся тел»[88], в которой сформулировал совершенно новую концепцию пространства и времени — специальную теорию относительности. Она радикально изменила представления о расстоянии и длительности, а в особенности то, что мы подразумеваем под одновременностью двух событий.

В тот же период, когда Эйнштейн придумывал специальную теорию относительности, он был озадачен еще одним парадоксом. В начале XX века физики были в крайнем недоумении из-за чернотельного излучения. Вспомните главу 9, где я объяснял, что чернотельное излучение — это электромагнитная энергия, испускаемая святящимся горячим объектом. Представьте себе совершенно пустой закрытый контейнер при температуре абсолютного нуля. Внутри сосуда будет идеальный вакуум. Теперь давайте подогреем сосуд снаружи. Внешние стенки начинают испускать чернотельное излучение, то же происходит и с внутренними стенками. Их излучение попадает в закрытое пространство внутри сосуда, и оно заполняется чернотельным излучением. Электромагнитные волны разной длины мечутся по объему, отскакивая от внутренних стенок: красный свет, голубой, инфракрасный и все остальные цвета спектра.

Согласно классической физике, все длины волн — микроволны, инфракрасные, красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые и ультрафиолетовые волны — должны давать равный энергетический вклад. Но почему мы остановились в этом перечислении? Еще более короткие волны — рентген, гамма-лучи и еще более и более короткие волны — тоже должны давать равный вклад в энергию. Поскольку нет предела тому, сколь короткой может быть волна, классическая физика предсказывает, что в сосуде будет содержаться бесконечное количество энергии. Это признак абсурда — такая энергия немедленно испарила бы сосуд. Но где же именно ошибка?

Проблема эта была столь тяжела, что в конце XIX века ее стали называть ультрафиолетовой катастрофой. И вновь клинч возник в результате столкновения принципов, которые пользовались большим доверием, от обоих было очень трудно отказаться. С одной стороны, волновая теория невероятно успешно объясняла хорошо известные свойства света — дифракцию, преломление, отражение и самое впечатляющее — интерференцию. Никто не готов был отказываться от волновой теории, но, с другой стороны, на каждую длину волны должна приходиться равная энергия — это так называемая теорема о равнораспределении, вытекающая из самых общих аспектов теории теплоты, в частности и того, что тепло — это беспорядочное движение.

В 1900 году Макс Планк выдвинул важные новые идеи, которые вплотную подвели к разрешению дилеммы. Но лишь Эйнштейн в 1905 году нашел правильный ответ. Без всяких колебаний никому не известный патентный клерк сделал невероятно смелый ход. Свет, сказал он, — это не размытые пятна энергии, как считал Максвелл. Он состоит из неделимых частиц энергии, или квантов, которые позднее стали называть фотонами. Можно только изумляться самонадеянности молодого человека, который заявил величайшим ученым всего мира, что все их знания о свете ошибочны.

Гипотеза о том, что свет состоит из отдельных фотонов, энергия которых пропорциональна их частоте, решила проблему. Применив к этим фотонам статистическую механику Больцмана, Эйнштейн обнаружил, что на очень короткие волны (высокие частоты) приходится менее одного фотона. Меньше одного означает ни одного. Так что очень короткие волны не дают энергетического вклада, и мы избегаем ультрафиолетовой катастрофы. Дискуссия на этом не закончилась. Понадобилось почти тридцать лет, чтобы Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер и Поль Дирак примирили эйнштейновские фотоны с максвелловскими волнами. Но именно эйнштейновский прорыв открыл этот путь.