Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность - [22]

Вместе два конуса формируют нечто вроде песочных часов, демонстрируют пределы для путешествия света в прошлом и будущем.

Оптика показывает нам, почему свет, путешествуя через вакуум или однородную среду, движется по прямой линии. В соответствии с «принципом наименьшего времени», который ввел в науку математик Пьер де Ферма в середине семнадцатого века, свет всегда выбирает самый быстрый путь через пространство. Поскольку скорость его является константой, то для минимизации времени путешествия он должен выбрать кратчайший маршрут. А как знает любой студент, изучающий геометрию, такой маршрут меж двух точек – прямая линия.

В соответствии со специальной теорией относительности любой объект, обладающий массой, будет двигаться медленнее света. Мы можем наблюдать проявление этого эффекта во время грозы, когда вспышки молнии достигают нас раньше грома. Приходится ждать, чтобы до нас добрался звук, который переносят молекулы воздуха, обладающие массой. Еще большее время проходит, прежде чем мы увидим соседей, удирающих из-под дождя в поисках убежища, но ведь их масса больше, чем у молекул.

Именно поэтому свет, выбирающий самый короткий путь, является идеальным средством коммуникации. Отметим только, что мы имеем в виду свет во всех его проявлениях, включая невидимое излучение вроде радиоволн.

Если поместить обладающие массой объекты на диаграмму пространства-времени, то их траектории окажутся в пределах светового конуса (там, где должно находиться мороженое). Это происходит по той причине, что за заданный временной интервал менее быстрые объекты не могут покрыть такое большое расстояние, как может свет.

Например, пути, пройденные звуковыми волнами, всегда будут внутри конуса.

На самом деле мы сами находимся в числе тех предметов, которые движутся медленнее света. На диаграмме пространства-времени наши жизни выглядят словно причудливо изогнутые куски проволоки, извивающиеся в пространстве по мере того, как течет время. Такие паттерны обычно именуют «мировыми линиями».

По мере того как от рождения мы следуем к детству, через взросление к солидному возрасту и смерти, эти отрезки сплетаются с аналогичными траекториями других людей, создавая сеть сходящихся и расходящихся связей. В момент смерти мировая линия человека заканчивается, но жизненные линии составляющих его молекул не прерываются. На субатомном уровне, как в случае с протонами (положительно заряженными ядрами или просто атомами водорода), такая линия может протянуться на миллиарды лет.

Вообразим разумное существо, чьи способности намного превосходят наши, получившее доступ к полной пространственно-временной диаграмме вселенной. Мировые линии всего, что когда-либо существовало или будет существовать – прошлое, настоящее и будущее – будут заключены в нечто вроде космического «хрустального шара».

С точки зрения существа время будет выглядеть столь же неподвижным, как кусок льда.

Ничего и никогда нельзя изменить, поскольку изменение было бы видимо. Подобный безвременный взгляд на сущее часто именуют «блочной вселенной».

Эйнштейн пришел именно к подобным философским воззрениям на наш мир. Однажды он написал: «Для нас, верующих физиков, различие между прошлым, настоящим и будущим имеет только значение упрямой иллюзии»²⁶.

Чтобы физическая гипотеза соответствовала специальной теории относительности, нужно заменить пространство и время как независимые понятия на единое пространство-время. Рассмотрим, для примера, уравнение Шредингера. Оно показывает, как ведет себя волновая функция в пространстве и изменяется во времени и, следовательно, не согласовывается со специальной теорией относительности.

Чужак, живущий в блочной вселенной, которому недоступно восприятие изменений во времени, не поймет, что означает это уравнение.

Шредингер пытался, но не преуспел в попытках создать релятивистское уравнение, способное предсказать поведение электрона. Ему понадобилась помощь английского коллеги, с которым они все же добились успеха, а потом разделили Нобелевскую премию.

Море из дыр

Родившийся в Бристоле физик Поль Дирак славился выдающейся необщительностью. Если ему задавали сложный вопрос, не важно, насколько хитрый, он чаще всего отвечал просто «да» или «нет». Множество историй рассказывали о том, насколько он экономен в словах и неловок в общении.

В одной известной байке действует его жена (сестра Юджина Вигнера). Представляя ее в обществе, Дирак однажды сказал просто «сестра Вигнера», словно знал ее только в этом качестве.

Но, к счастью, в работе с уравнениями краткость и простота – большие достоинства. В конце двадцатых годов Дирак составил новый точный лексикон для квантовой механики, его четко очерченные определения для квантовых состояний и переходов используются до сих пор.

Наряду с систематизацией нерелятивистской квантовой механики он попробовал описать ее релятивистскую версию, и в эту концепцию включил понятие «спин электрона». К 1928 году, всего через несколько лет после того, как появился стандарт квантовой физики и само определение спина, он достиг цели.

На бумаге уравнение Дирака, как стали называть релятивистское описание электронов, выглядит очень коротким, но из него выводится колоссальное количество импликаций. Оно описывает электроны в терминах специальной волновой функции, именуемой «спинором», которая трансформируется в соответствии с определенными математическими правилами. Уравнение сочетает не только пространство и время, но также энергию и импульс в соответствии со специальной теорией относительности.