Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса

Голдберг Дэйв

Однако на самом деле у пространства и времени куда больше общего, чем мы привыкли думать — хотя время и в самом деле отличается от пространственных измерений.

Скорость света — это не только валютный курс между веществом и энергией (E = mc ²), но и темп конверсии между пространством и временем. Возможно, вы слышали о световых годах; световой год — это всего-навсего расстояние, которое свет проходит за год, около 10¹⁶ метров. Если вам трудно такое представить (еще бы!), это примерно четверть расстояния до ближайшей звезды — Проксимы Центавра.

А если вы предпочитаете осмыслить это в терминах ограниченности наших технических возможностей,

то вспомните космический корабль «Вояджер-I»: он запущен НАСА еще в 1977 году и с тех пор летит за пределы Солнечной системы. Это самый далекий рукотворный объект, запущенный с Земли, и сейчас он находится примерно в 20 миллиардах километров от Земли. Это расстояние свет покрывает чуть меньше чем за 17 часов.

Вот вам близкое соотношение между пространством и временем. Многие физики именно так к ним и относятся — понятия секунды и световой секунды для них взаимозаменяемы, а скорость света они легкомысленно приравнивают к единице. С практической точки это вопрос того, как мы определяем меры времени и расстояния [23] .

23

С таким легкомысленным отношением к пространству-времени можно, конечно, и палку перегнуть. Например, если похвастаешься, что твой звездолет может пролететь по дуге Кесселя меньше чем за 12 парсеков, выставишь себя полным идиотом.

В 1983 году на Семнадцатой Генеральной конференции по мерам и весам — очень пышное название — секунду определили в терминах «сверхтонкого перехода» цезия-133. Атом цезия периодически испускает свет, и на конференции решили, что секунда — это 9 192 631 770 периодов испускания фотона.

Если знаешь, что такое секунда, рассчитать расстояние — пара пустяков. Метр определяется очень просто: это расстояние, которое свет проходит за 1/299 792 458 секунды.

Из того, что скорость света конечна, следует, что мы вечно смотрим в прошлое. Солнце, которое мы видим сейчас — не то, каково оно в данный момент. Это Солнце 8 минут назад. Может быть, 7 минут назад оно погасло, а мы об этом ничего не знаем и не можем узнать. Когда Нил Армстронг произнес свои бессмертные слова о крошечном шаге одного человека, они были достоянием истории — и в буквальном, и в переносном смысле, поскольку радиоволны, передававшие его сообщение, шли до нас около 1,3 секунды.

Вы заглядываете в прошлое даже в повседневных ситуациях, например, когда читаете книгу. Если вы держите книгу на расстоянии около 30 сантиметров от глаз, значит, вы заглядываете в прошлое примерно на 1 миллиардную секунды.

Выходит, перемещаться в пространстве и во времени — это в некотором смысле одно и то же, однако я хочу подчеркнуть различия. Во-первых, во времени вы двигаетесь гораздо быстрее, чем в пространстве. За одну секунду вы покрываете одну секунду времени (естественно). Но даже самые быстрые искусственные спутники покрывают лишь 0,2 световые миллисекунды пространства в 1 секунду времени. Это все равно что на месте стоять.

Мы путешествуем во времени гораздо быстрее, чем в пространстве, поскольку это прямо следует из безумной скорости света. Свет перемещается так быстро, что еще несколько столетий назад мы не были уверены, что его скорость вообще конечна. Чтобы понять, что такое время, нам нужно сначала понять, что такое пространство — и это не метафора.

Например, первые расчеты расстояния до Солнца — сейчас мы знаем, что оно равно 149 597 870 километрам и называется (несколько неизобретательно) астрономической единицей — были сделаны на основании одной лишь геометрии, и оно исчислялось в радиусах Земли.

Древние — те, которым хватило ума понять, что не Солнце вращается вокруг Земли, а наоборот — применили для вычисления этой важной ступени

в лестнице расстояний самые разные и относительно неудачные подходы. Насколько именно они были неудачными, мы судить не можем, поскольку точно не знаем, как переводить древние единицы расстояния в современные. Аристарх Самосский, работавший в III веке до н. э., сделал одну из лучших оценок для своего времени (то есть почти до наших дней) и ошибся примерно в 15 раз.

Лишь около двух тысяч лет спустя, в конце XVIII века, французский астроном Жером Лаланд воспользовался редким и долгожданным астрономическим событием, чтобы точно вычислить расстояние до Солнца: астрономическим транзитом (прохождением) Венеры.

Примерно раз в сто лет планеты выстраиваются так, что Венера проходит точно между Солнцем и Землей. Астрономические транзиты очень познавательны, поскольку из разных точек земного шара они выглядят несколько по-разному. Два наблюдателя, расположившись в двух точках одной параллели (то есть линии восток-запад), увидят начало транзита с очень небольшой временной разницей.

Точно так же видят ваши глаза [24] . Левый и правый глаз видят чуть-чуть разные картинки, а мозг на основе этого рассчитывает расстояние и глубину. Поморгайте то одним, то другим глазом — и вы заметите, как картинка слегка сдвигается, причем чем ближе предмет, тем заметнее. Если выражаться языком математики, мозг определяет все расстояния как отношения к расстоянию между зрачками.

Поскольку орбиты Земли и Венеры наклонены относительно друг друга, сначала тебе дается одна попытка наблюдения, потом ждешь 8 лет второй попытки, а потом тебе уже ничего не светит примерно 120 лет. Последний транзит Венеры был 5–6 июня 2012 года. Если вы его пропустили, то, скорее всего, больше никогда не увидите.

24

Прошу извинить меня, если я оскорбил чувства циклопов.

Лаланду очень повезло: он был в расцвете сил как раз между транзитами Венеры 1761 и 1769 годов. Сам он данные не собирал, однако у него была возможность изучить чужие наблюдения, на основании которых он сделал очень хорошую оценку расстояния до Солнца — с точностью до нескольких процентов.

Итак, измерить расстояние до Солнца в метрах мы сумели лишь в конце XVIII века, однако, как выяснилось, приблизительное расстояние в световых минутах было нам известно уже за сто лет до этого. Еще в 1670 годы датский астроном Оле Ремер отметил странности в поведении спутников Юпитера, открытых незадолго до того.

Наверное, вы и сами задумывались о том, что вращающиеся по орбитам небесные тела — это очень удобные часы [25] . Например, ближайшая к Юпитеру луна из четырех ярких Галилеевых спутников называется Ио [26] , и период обращения у нее 42 часа, 27 минут и 33 секунды. Ремер сумел отметить фазы лун относительно Юпитера, когда планета была в противостоянии (то есть ближе всего). Затем, примерно через полгода, Ремер снова наблюдал Юпитер.

25

Если не задумывались, позвольте указать вам на тождество слов «месяц» — «луна» и «месяц» — «двенадцатая часть года». Остальное додумайте сами.

26

Названная, как и многие другие спутники Юпитера, в честь одной из весьма многочисленных возлюбленных Зевса. Ио была нимфой. Очень рекомендую почитать про мифологические сюжеты, связанные с другими Галилеевыми спутниками — так, забавы ради.