Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность

Как и в матричной механике Гейзенберга, такие резкие трансформации не являются на сто процентов предсказуемыми, скорее на это всегда есть определенные шансы, как при подкидывании монетки или вращении рулетки.

Уравнение Шредингера, хотя получилось и полезным, и элегантным, не включало несколько важных свойств электронов. Оно не брало в расчет их спин, а также не учитывало эффекты специальной теории относительности Эйнштейна, предложенной в том же 1905-м, волшебном году, когда он создал гипотезу фотоэлектрического эффекта.

В то время как общая теория относительности прилагается к гравитации, специальная теория относительности, ее предшественница, приложима к частицам, движущимся с высокими, но постоянными скоростями. Когда мы занимаемся электронами, игнорируя монументальные открытия Эйнштейна, трудно ждать прорывов.

Относительно говоря

Мотивация Эйнштейна при создании специальной теории относительности происходила от озадачивающего противоречия между классической механикой и теорией электромагнетизма, завязанной на постоянство скорости света. Будучи молодым, австрийский физик поставил мысленный эксперимент, в котором бегун пытается не отстать от световой волны.

Если вдруг бегун достаточно быстр, то классическая механика Ньютона позволяет ему держаться «шаг в шаг» с волной света. Теория электромагнетизма Максвелла, тем не менее, делает это невозможным, поскольку в ней скорость света предстает одинаковой для всех наблюдателей вне зависимости от их собственной, самой невероятной скорости.

Словно преследуя вечно отступающий мираж в пустыне, бегун никогда не сможет сравняться с волной.

Предложенное Эйнштейном решение этой задачи, специальная теория относительности, утверждает, что параметры пространства и времени зависят от относительных скоростей наблюдателей.

Резвый бегун и тот, кто остается на месте, могут по-разному оценить расстояние, пройденное лучом света, и время, которое понадобилось на это путешествие. С точки зрения покоящегося наблюдателя пространство будет сжато, а время растянуто, с точки зрения движущегося – наоборот. Тем не менее, поделив дистанцию на время, чтобы определить скорость света, оба получат одинаковое значение. Следовательно, скорость света, а не показатели линеек и часов, может служить универсальным стандартом.

Вскоре после того, как Эйнштейн предложил свою теорию, математик Герман Минковский нашел, что наиболее элегантно ее можно отобразить, если поместить пространство и время в единую систему координат. Он разработал концепцию пространства-времени, которая подходила и к специальной, и к общей теориям относительности.

С точки зрения Минковского, пространство и время не являются независимыми, это два аспекта единого пространства-времени. Это понятие сводит трехмерное пространство и одномерное время в одну четырехмерную сущность.

Немецкий математик театрально высказал свои гипотезы на научной конференции в 1908 году. Объявив, что «пространство само по себе и время само по себе обречены на то, чтобы уйти со сцены в мир теней»²⁵, он показал, как объединение того и другого в пространство-время позволяет объективно и неизменно описывать вселенную.

Если исходить из революционного взгляда Минковского, то каждое событие имеет четыре координаты, три определяют расположение в пространстве, а четвертая – во времени. Ничто не случается исключительно в пространстве, на любом изменении должен стоять и временной штамп. Дистанции и промежутки времени сами по себе выходят из употребления, уступая место интервалу между явлениями в пространстве-времени.

Кратчайший интервал с нулевым значением именуется «светоподобным» и определяется путем, по которому свет идет от одного события к другому. Это напоминает веревку, которая соединяет два предмета и при этом не провисает.

Например, если мы стоим на вершине Эйфелевой башни и нацеливаем луч света на судно, расположенное на Сене, то этот самый луч соединит два разных с точки зрения пространства-времени явления с максимальной эффективностью. Первое событие будет иметь координаты, определяемые тремя пространственными координатами Эйфелевой башни и моментом передачи. Второе будет иметь немного другие пространственные координаты и чуть-чуть большее значение временной – ровно настолько, чтобы свет дошел. Ничто не может путешествовать быстрее или прямее, чем световой луч.

Отсюда ясно, что светоподобный интервал является золотым стандартом для коммуникации и наилучшей основой для того, чтобы описывать разные эффекты.

Мы точно так же можем направить наш луч в любую другую сторону, взять другое судно, ибо выбор обширен. Поместив его на пространственно-временную диаграмму, где время отложено на одной из осей, а пространственные координаты на других, можно представить громадный набор углов, под которыми свет может исходить из одной точки и распространяться по прямой линии.