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

Голдберг Дэйв

Надежные свидетельства в пользу принципа эквивалентности мы наблюдали и в доисторическом ядерном реакторе в Окло в Габоне, и в наблюдаемой неизменности постоянной тонкой структуры. Принцип эквивалентности предсказывает те самые пространственные и временные симметрии, которые так занимали Нётер. Принцип эквивалентности в самом что ни на есть прикладном смысле не просто симметрия — это своего рода метасимметрия, которая говорит нам, как должны выглядеть многие симметрии, и в самом деле существующие во Вселенной.

В заключение я вынужден сделать одно признание. Общая теория относительности, а потому, весьма вероятно, и сам принцип эквивалентности обязательно должны в чем-то ошибаться или быть по крайней мере

неполными. В таких высокоэнергичных случаях, как центры черных дыр или момент Большого взрыва, относительность и квантовая механика описывают устройство вселенной очень по-разному.

Чтобы увидеть, в чем трудность, нам даже не обязательно нырять в черную дыру. Знаменитый квантово-механический опыт Юнга предполагает, что пучок электронов пропускают через экран с двумя маленькими параллельными прорезями. Из-за квантовой неопределенности невозможно предсказать, через какую прорезь проскочит каждый конкретный электрон: он буквально проходит в обе щели одновременно. Это само по себе плохо укладывается в голову, а в контексте гравитации выглядит еще неправдоподобнее. Если электрон проходит через одну прорезь, то гравитационное поле, которое он создает, теоретически немного отличается о того, которое он создает, если проходит через другую прорезь.

В один прекрасный день — точно не сегодня — у нас появится теория квантовой гравитации, которая объяснит, как и где именно относительность перестает работать и как ее починить, но на данный момент нам придется ограничиться экспериментами. А эксперименты вроде бы подтверждают принцип эквивалентности.

Жизнь в Муравляндии

Даже не вдаваясь в подробности общей теории относительности, разработка которой заняла почти десять дополнительных лет после специальной теории относительности, Эйнштейн уже представлял себе, как должен выглядеть ее окончательный вариант. Опираясь на принцип эквивалентности, Эйнштейн придумал сценарий, позволяющий связать искусственную и естественную гравитацию, и сейчас я этот сценарий беззастенчиво украду.

Представьте себе жизнь на огромном вращающемся диске. Она очень похожа на двумерные вселенные, с которыми мы познакомились в третьей главе — ну, те, жить в которых, как вы выяснили, в принципе невозможно. Уж поверьте, думать о двумерных вселенных гораздо проще, чем о трехмерных.

В этой вселенной живет множество сверхразумных муравьев, которые медленно ползают по ее поверхности. Их королева Мария Муравьетта (пардон) восседает в полной неподвижности в самом центре Муравляндии. Ее тесным кольцом окружает свита. На взгляд стороннего наблюдателя, то есть на ваш взгляд, придворные медленно вращаются вокруг королевы. Сами они, разумеется, ни о чем не подозревают. Просто держатся за диск изо всех сил, чтобы вращением их не отбросило к краю. По их представлениям «край» — это «низ». Наверное, вы помните, что это называется «центробежная сила» — та же самая, которая создает искусственную гравитацию на борту «Дискавери-1» из «Космической одиссеи-2001».

Муравляндия

Чем дальше муравьи от королевы Марии, тем быстрее они двигаются и тем сильнее их тянет к краю. С точки зрения муравьев их Муравляндия очень похожа на гору, на вершине которой сидит королева, а склоны чем ниже, тем круче. Муравей, ослабивший хватку, покатится вниз, к «подножию горы», причем с ускорением.

У этой аналогии есть по крайней мере один недостаток. Если на Земле упасть с горы, то просто покатишься по радиусу от ее вершины к подножию. А муравей, упавший в Муравляндии,

покатится сначала вниз, но потом окажется, что он еще немного сдвигается по кругу. Это знаменитый эффект Кориолиса. Та же самая сила, которая вынуждает циклоны в северном полушарии крутиться против часовой стрелки, а в южном — по часовой [73] .

73

Несмотря на распространенное заблуждения, вращение Земли не имеет отношения к тому, в какую сторону закручивается вода, когда вы сливаете ее в туалете. Унитаз у вас слишком маленький.

Поскольку наши муравьишки домоседы, эффектом Кориолиса можно безнаказанно пренебречь. Муравьи убеждены, что живут на горе и вообще не вращаются. Мы живем за пределами Муравляндии и лучше осведомлены о положении вещей. Королева неподвижна. Ближайшие к ней муравьи движутся медленно. Чем дальше муравьи, тем быстрее они движутся. Муравьи на окраине диска движутся быстрее всех. Вот тут-то мы начинаем понимать, ради чего так долго и усердно учили специальную теорию относительности. Мы кое-что знаем о том, как течет время у движущихся муравьев. Чем быстрее они движутся, тем медленнее течет их время по сравнению с королевским. Чем дальше муравей, тем медленнее он будет стареть на сторонний взгляд.

Однако на ту же ситуацию можно взглянуть и иначе — с точки зрения принципа эквивалентности. «Дискавери-1» создавал искусственную гравитацию посредством вращения, однако если Эйнштейн прав, между гравитацией, созданной вращением, и настоящей гравитацией не должно быть никакой разницы, кроме приливного эффекта.

Муравьи не знают, что движутся, поэтому не подозревают, что в этом как-то участвует специальная теория относительности. Насколько они сами могут судить, они живут в гравитационном поле. Муравьи очень умны. Они открыли фундаментальное свойство гравитации: чем «ниже» падаешь, тем медленнее идет время.

Муравьиные физики совершенно правы — и относительно своей вселенной, и относительно нашей. Чем ближе подбираешься к массивному телу, тем медленнее идет время, и чем массивнее тело, тем ярче эффект. Эффекты эти очень даже реальны, но в нормальной обстановке смехотворно малы. Время течет медленнее на поверхности Земли примерно на одну миллиардную по сравнению со временем в открытом космосе. Над самой поверхностью Земли эффект еще меньше. У подножия горы Эверест время течет уже на одну триллионную медленнее, чем на ее вершине. Учитывая, что мы большую часть жизни прикованы к земной поверхности, неудивительно, что до Эйнштейна никто и не замечал, что течение времени меняется в зависимости от того, где находишься.

Однако, если мы хотим осознать значение замедления времени, нам не нужно отправляться к иным звездам. Технология, обеспечивающая систему глобального позиционирования GPS, нуждается в особенно точной калибровке спутниковых часов и часов на Земле — просто до смешного точной. Если спутники GPS пренебрегут относительностью, они будут набирать по 45 миллионных секунды с каждым днем. Казалось бы, капля в море, но тут стоит вспомнить, что эта величина соответствует более чем десятикилометровой погрешности при определении положения на поверхности Земли.

Между тем в мире бывают куда более экстремальные условия. Можно очутиться на необычайно компактном и массивном звездном остатке под названием нейтронная звезда, где время течет медленнее на 20 %, а то и больше. Для вас пройдет десять лет — а где-то далеко-далеко набежит два лишних года. То есть вы только что создали машину времени (плохонькую, но все же). Но поскольку гравитация на нейтронной звезде такая сильная, что расплющит вас в блин, путешествие в будущее вас, скорее всего, будет заботить меньше всего.