На лужайке Эйнштейна. Что такое НИЧТО, и где начинается ВСЕ - Аманда Гефтер

– Ну, я все же вижу в окно, что он двигается все быстрее и быстрее, – возразила я.

– Но равным образом то, что ты видишь, может объясняться и тем, что все вокруг убегает от тебя все быстрее и быстрее, а ты сама остаешься на месте. А если зашторить все окна, то ты вообще можешь думать, будто не движешься совсем: ведь по отношению к тебе ничто из находящегося внутри автомобиля, включая сиденья, не движется. У тебя было бы полное право предположить, что ты находишься в состоянии покоя, и тебе показалось бы очень странным, с чего это вдруг тебя что-то внезапно вжало в кресло. Единственный способ объяснить это – предположить, что на тебя действует какая-то сила.

– Но это не настоящая сила…

– Правильно, это фиктивная сила, так как ее не существует с точки зрения инерциального парня на тротуаре. Для него нет силы, есть только ускорение автомобиля. Физики называют такие силы фиктивными, поскольку можно найти систему отсчета, в которой они отсутствуют. Но в действительности из того, что ты говоришь, следует, что все силы, даже те, о которых мы думали, что они реальные, фиктивны в не меньшей мере.

– Да, точно! Гравитация, электромагнетизм, ядерные силы… они все фиктивные. Они зависят от калибровки, а это просто другой способ сказать, что они зависят от наблюдателя. Они не инвариантны. Но ты сказал, что фиктивная сила возникает потому, что «на самом деле» испытываешь ускорение, хотя, возможно, и не знаешь этого. Но разве не в том суть теории относительности, что мы не можем утверждать, что «на самом деле» ускоряемся? Есть ли сила в инерциальной системе отсчета, или нет силы в системе отсчета, движущейся с ускорением, обе ситуации должны быть эквивалентны. Мы не можем отдать предпочтение парню на тротуаре как единственной «реальной» системе отсчета – все наблюдатели должны быть равноправны.

– Это абсолютно верно, – отец кивнул. – Концепция фиктивных сил происходит из ньютоновской физики, где инерциальный парень на тротуаре считается покоящимся в абсолютном пространстве, относительно которого ускоряется автомобиль. Эйнштейн сделал обе эти системы отсчета (парня и водителя автомобиля) эквивалентными.

– Сделав пространство и время зависимыми от наблюдателя!

Мы обсуждали этот вопрос несколько часов, пока не сказалась разница во времени и мои глаза не начали сами собой закрываться.

– Пойдем спать, девочка! – сказала я Кэссиди и направилась в мою старую спальню. Она сначала последовала за мной, но потом развернулась, побрела обратно по коридору и улеглась на пороге спальни родителей.

– Вот, значит, как? – сказала я ей и укоризненно покачала головой. – Предательница.

Лежа в ту ночь в постели, в комнате, к счастью достаточно большой, чтобы подчиняться законам классической физики, я думала об окончательной реальности. Эйнштейн как-то сказал: «Физика – это попытка концептуально постичь реальность, которая, как считается, существует независимо от наблюдателя. В этом смысле говорят о физической реальности». «Реальный» для Эйнштейна означало «независимый от наблюдателя», и единственным способом выяснить, что не зависит от наблюдателя, было сравнение всех возможных точек зрения в надежде найти те редкие ключевые свойства, которые не меняются при смене точек зрения. То, что реально, – это то, что инвариантно.

Эти философские истины каждый уже знает или, по крайней мере, инстинктивно чувствует. Если мы видим что-то настолько странное, что не верим своим глазам, и мы хотим убедиться, что мы не сошли с ума или не перебрали с алкоголем в баре, то что мы делаем? Мы обращаемся к парню, который сидит рядом с нами, и спрашиваем: «Вы это тоже видите?» Если он говорит «нет», тогда мы знаем: это никакой не инвариант и, наверное, настало время побеспокоиться о своем состоянии.

Будучи новоявленным структурным реалистом, я понимала, что должна быть осторожной, чтобы не спутать наши рассказы о физике с ее базовой математической структурой, чтобы не принять разные описания за разные материальные объекты. И теперь, имея инвариантность в качестве моего единственного критерия окончательной реальности, я поняла, что описания могут различаться при переходе от одной системы отсчета к другой. Только структура обладает возможностью оставаться инвариантной.

Ледиман был прав, повернув идею структурного реализма в онтологическое русло: структура, полностью освобожденная от бремени нашего индивидуального восприятия, была единственным жизнеспособным кандидатом на реальность. Потому что существует бесконечно много способов взглянуть на одно и то же, описать одну и ту же структуру. Это было очевидно уже из общей теории относительности. Вы могли бы прочертить изогнутую мировую линию в плоском пространстве-времени или прямую мировую линию в искривленном пространстве-времени. Вы могли бы описать космос с помощью неевклидовой геометрии, или вы могли бы придерживаться евклидовой геометрии пространства и ввести некоторые дополнительные силы. Вы могли бы обозначить и переобозначить точки пространства-времени бесконечным количеством самых разнообразных способов. И все это не привело бы к каким-либо изменениям. Базовая структура всегда остается одной и той же. Наши творческие возможности для описания реальности, наверное, безграничны. Фокус в том, чтобы узнать, что является только описанием, а что базовой структурой.

К счастью, я открыла для себя простое правило: все, что служит для сохранения калибровочной симметрии, – это просто описание. Однако просто описания могут вызвать к жизни такое физическое явление, которое покажется очень даже реальным, а то и драматическим. Простой переход от одной системы отсчета к другой может превратить пространство во время, заставить гравитацию исчезнуть или сгенерировать электромагнитное поле. Может вызвать ядерную реакцию. Может заставить Солнце светиться.

В дополнение к четырем принципиально фиктивным взаимодействиям есть еще кое-что, без чего калибровочную симметрию не сохранить: хиггсовское поле.

Все частицы обладают свойством, называемым спином, – разновидностью внутреннего вращения, которое отвечает за то, как частицы представлены в разных системах отсчета. Мне нравится иллюстрировать это свойство на примере с пляжным мячиком. Когда мячик пролетает мимо меня, я вижу рисунок то на одной стороне его поверхности, то на другой, так, словно он вращается, хотя в его собственной системе отсчета никакого вращения нет вообще. Конечно, вопрос о том «действительно» ли мяч вращается, не имеет смысла, потому что движение относительно. Наблюдатель, обходящий на 360 градусов вокруг находящегося в покое объекта, и наблюдатель, который стоит на месте, а объект поворачивается на 360 градусов – два эквивалентных описания одного и того же.

Про частицы, обладающие ненулевым спином, в зависимости от его проекции на направление движения говорят, что они имеют правую или левую спиральность, словно бы частица была закручена в направлении движения или в противоположном направлении[25]. Но спиральность относительна: если у вас есть частица с правой спиральностью, вы всегда сможете бежать быстрее нее, и, обернувшись, вы увидите, что знак спиральности частицы сменился на противоположный. Спиральность зависит от системы отсчета, в которой она измеряется[26].