E = mc² – это уравнение. Мы изо всех сил старались обратить внимание читателей на то, что для физика уравнения – весьма удобный и эффективный инструмент описания взаимосвязей между различными объектами. В случае E = mc² в качестве таких объектов выступают энергия (E), масса (m) и скорость света (c). В более общем смысле элементы уравнения могут представлять либо реальные физические объекты, такие как волны или электроны, либо более абстрактные понятия, такие как энергия, масса или расстояние в пространстве-времени. Как мы уже видели в предыдущих главах, физики весьма требовательно относятся к фундаментальным уравнениям в том смысле, что, по их мнению, их должны принять все без исключения во Вселенной, независимо от местоположения, скорости и направления движения. Это вполне обоснованное требование, хотя в какой-то момент в будущем мы можем обнаружить, что придерживаться его невозможно. Такой поворот событий поверг бы в шок любого современного физика, поскольку эта идея оказалась на удивление плодотворной с момента рождения современной науки в XVII столетии.
Хороший ученый всегда должен осознавать тот факт, что природа может без колебаний повергнуть нас в шок, а реальность такова, какова есть. Но пока все, что мы можем сказать, это что мечта остается неизменной. Мы уже исследовали идею всеобщего согласия, представив ее достаточно просто: законы физики должны быть сформулированы с использованием инвариантных величин. Все известные нам фундаментальные физические уравнения соответствуют этому требованию, поскольку отображают взаимосвязи между объектами в пространстве-времени. Что именно это означает? Что представляет собой объект, существующий в пространстве-времени? Можно предположить, что все сущее находится в пространстве-времени, поэтому, когда нам необходимо составить уравнение, например, описывающее взаимодействие между объектом и окружающей средой, мы должны найти способ выразить это в математической форме с помощью инвариантных величин. Только так можно достичь всеобщего согласия.
Хорошим примером может послужить длина куска веревки. Исходя из того, что нам уже известно, можно прийти к выводу, что хотя кусок веревки – это реальный объект, нам следует избегать написания уравнения, отображающего только его длину в пространстве. Пожалуй, нам нужно быть смелее и говорить о длине куска веревки в пространстве-времени, как того требует теория пространственно-временного континуума. Безусловно, физикам, решающим сугубо земные задачи, удобно использовать уравнения, отображающие взаимоотношения между длинами в пространстве и другими вещами подобного рода (инженеры считают такой подход весьма полезным). Уравнение, в котором используется только длина в пространстве или время, измеряемое с помощью часов, вполне корректно рассматривать как допустимое приближение, если речь идет об объектах, движущихся очень медленно по сравнению с предельной космической скоростью, что во многих случаях (хотя и не всегда) верно в контексте решения повседневных инженерных задач. Пример, доказывающий, что это не всегда так, – ускоритель частиц, в котором субатомные частицы движутся по кругу со скоростью, близкой к скорости света, и в результате живут дольше своих покоящихся двойников. Если бы следствия теории Эйнштейна не принимались во внимание, ускорители частиц просто не работали бы должным образом. Фундаментальная физика сводится к поиску фундаментальных уравнений, а это подразумевает необходимость работать исключительно с математическими представлениями объектов, имеющими универсальное значение в пространственно-временном континууме. Прежнее представление о пространстве и времени как о двух отдельных концепциях приводит к формированию картины мира, напоминающей попытку смотреть спектакль, наблюдая только за тенями, оставленными на сцене светом прожекторов. На самом деле в спектакле играют трехмерные актеры, которые передвигаются по сцене, а тени – всего лишь двумерная проекция спектакля. После открытия концепции пространства-времени мы наконец можем оторвать взгляд от этих теней.
Все эти разговоры об объектах в пространстве-времени могут показаться достаточно абстрактными, но в них есть свой смысл. До сих пор мы сталкивались только с одной математической моделью объекта, имеющей универсальное значение в пространстве-времени, – расстоянием между двумя событиями в пространстве-времени. Но есть и другие.
Прежде чем разбираться с объектом нового типа, расположенным в пространстве-времени, давайте вернемся на один шаг и представим себе его аналог в трех измерениях, соответствующих нашему повседневному опыту. С учетом уже прочитанного в этой книге для вас не должен стать неожиданностью тот факт, что любая разумная попытка описать окружающий мир использует концепцию расстояния между двумя точками. Так вот, расстояние – это особый объект, который характеризуется одним числом. Например, расстояние от Манчестера до Лондона – 296 километров, а от вашей ступни до макушки головы (которое принято называть ростом) – примерно 176 сантиметров. Слово, указываемое после числа (сантиметры или километры), просто объясняет, в каких единицах ведется измерение, но в обоих случаях речь идет об одном числе. Расстояние от Манчестера до Лондона – безусловно, полезная информация, которой достаточно для определения требуемого количества бензина, но не совсем достаточно для того, чтобы совершить саму поездку. Без карты мы вполне можем отправиться не в том направлении и оказаться в Норидже.
Несколько сюрреалистичным и совершенно непрактичным решением этой проблемы могло бы стать сооружение гигантской стрелы длиной 296 километров; ее конец можно было бы расположить в Манчестере, а наконечник – в Лондоне. Стрелка – весьма полезный инструмент, часто используемый физиками для описания мира, поскольку она отображает идею о том, что нечто может иметь одновременно и размер, и направление. Очевидно, что существование гигантской стрелы от Манчестера до Лондона имеет смысл, только если она повернута в определенном направлении. В противном случае мы все так же могли бы оказаться в Норидже. Именно это мы и подразумеваем, утверждая, что стрела имеет как размер, так и направление. Стрелки помогают нам описывать окружающий мир. Пример тому – стрелки, которые используют синоптики для иллюстрации направления и скорости ветра: чем больше стрелка, тем сильнее ветер. Скорость ветра, отображаемая на синоптической карте, а также гигантская стрела от Манчестера до Лондона – это двумерные векторы, для описания которых необходимы только два числа. Например, мы можем сказать, что ветер дует со скоростью 65 километров в час в юго-восточном направлении. Показывая нам стрелки только в двух измерениях, синоптики не дают полной картины происходящего – они не сообщают, дует ли ветер вверх или вниз и на сколько градусов, но в большинстве случаев это не так важно.
Векторы также могут существовать в трех или более измерениях. Если бы мы начали свой путь из Манчестера в Лондон в одной из старых деревень в Пеннинских горах к северу от Манчестера, нам пришлось бы направить нашу стрелу немного вниз, поскольку Лондон расположен на берегах Темзы, на уровне моря. Векторы, существующие в трех измерениях обычного пространства, можно описать тремя числами. К настоящему моменту вы, наверное, уже догадались, что векторы могут находиться и в пространстве-времени и их следует описывать четырьмя числами.
