Дао физики - Капра Фритьоф - Страница 37

«Черные дыры» принадлежат к числу наиболее загадочных и необычных объектов, исследуемых современной астрофизикой, и служат иллюстрацией действия теории относительности. Сильная искривленность пространства-времени в районе черной дыры не только не позволяет лучам света достичь нас, но также оказывает значительное влияние на время. Если бы на поверхности звезды, которая приближается к своей гибели, находились часы, доступные нашему зрению, то мы увидели бы, что течение времени на циферблате этих часов постепенно замедляется по мере того, как звезда приближается к своей гибели, а когда звезда превращается в «черную дыру» показания часов вообще перестанут доходить до нас со светом. Для стороннего наблюдателя поток времени на поверхности звезды замедляется по мере продвижения звезды к гибели и полностью останавливается на уровне событийного горизонта. Поэтому можно утверждать, что процесс абсолютной гибели звезды бесконечен. Однако с самой звездой в момент достижения ею событийного горизонта ничего особенного не происходит. Течение времени остается тем же, и через некоторый, конечный период времени звезда прекращает свое существование, сокращаясь до размеров точки, имеющей невероятно большую плотность. Итак, сколько времени занимает продвижение звезды к гибели — бесконечность или некоторый промежуток времени? В мире теории относительности такой вопрос просто не имеет никакого смысла. Продолжительность существования гибнущей звезды, как и все прочие промежутки времени, относительна и зависит от системы координат, выбранной наблюдателем.

Общая теория относительности полностью отказывается от классических представлений о пространстве и времени, как о категориях, имеющих абсолютную и самостоятельную природу. Относительны не только все измерения в пространстве и времени, зависящие от состояния движения наблюдателя, но и сама структура пространства-времени определяется тем или иным распределением вещества во Вселенной. В различных частях Вселенной пространство характеризуется той или иной степенью искривленности, и время течет с разной скоростью. Таким образом, мы приходим к выводу о том, что наши представления о трехмерном евклидовом пространстве и о линейном времени коренятся в области наших повседневных знаний о физическом мире и оказываются бесполезными за пределами этой области.

Восточные мудрецы тоже говорят о том, что переход к более высоким состояниям сознания обогащает человеческое восприятие, и признают, что одной из неотъемлемых характеристик необычных состояний сознания является радикально новый подход к понятиям времени и пространства. Они подчеркивают не только тот факт, что медитация открывает путь в многомерное пространство, но и тот факт, что при этом исчезает привычное ощущение хода времени. Вместо линейной последовательности отдельных мгновений они имеют дело с бесконечным, безвредным и, тем не менее, динамически настоящим — по их собственным утверждениям. В приведенных ниже отрывках три восточных мистика рассуждают о восприятии этого «вечного сейчас»: даосский мудрец Чжуан-цзы, шестой патриарх дзэн Хуэйнэн и современный исследователь буддизма Д. Т. Судзуки.

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 очень 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 (точнее, одному из его измерений: двумя остальными приходится пренебречь для того, чтобы можно было изобразить график на плоскости), 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. Для каждого процесса можно построить описывающий его график и вывести математическую формулу, характеризующую вероятность данного процесса. Так, 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 «гамма»; электрон поглощает фотон, продолжая движение с несколько изменившейся скоростью (на графике это отражается при помощи изменения угла наклона мировой линии); через некоторое время электрон испускает фотон, и восстанавливает первоначальное направление движения.

Теория, рассматривающая эти пространственно-временные графики и сопровождающие их математические формулы, называется квантовой теорией поля и является одной из самых важных релятивистских теорий современной физики, к рассмотрению которых мы перейдем позднее. Для продолжения разговора о пространственно-временных графиках нам достаточно познакомиться с двумя наиболее характерными особенностями этой теории, первая из которых заключается в том, что все взаимодействия сводятся к возникновению и исчезновению частиц, как, например, к поглощению и последующему испусканию фотона, изображенному на нашем графике; 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):