Первое зондирование космоса: следопыты из XIX века

«Похоже на то, – писал Дэвид Юм, – что люди ведомы естественным инстинктом или предрасположенностью доверяться своим чувствам. Без всякого размышления или даже еще до такого размышления мы неизменно предполагаем, что внешний мир не зависит от нашего восприятия и существует, даже если мы и другие существа в нем отсутствуют или были в нем уничтожены».

Физические качества, которыми физики наделили пространство, вряд ли удастся определить. Но они не теряют надежды. Эксперимент Майкельсона – Морли 1887 года. является самой известной из таких попыток развеять все сомнения в существовании так называемого «эфира». В детские годы Эйнштейна ученые считали, что эфир пронизывает собой все пространство и формирует его. Древние греки отрицали саму возможность существования абсолютного «ничто». Они постоянно использовали логическое мышление и превосходно понимали, какие проблемы несет в себе сама теория бытия «ничто». Бытие образуется от глагола быть, оно вступает в противоречие с «ничто», и использовать эти два понятия вместе – все равно что рассуждать о прогулке без прогулки. Задолго до XIX века ученые также считали, что между планетами что-то существует, в противном случае свету было бы просто не в чем лететь. И хотя все более ранние попытки доказать существование эфира закончились неудачей, Альберт Майкельсон утверждал, что если Земля и вправду движется в пространстве эфира, то луч света, идущий в том же направлении, что и Земля, должен отражаться и приходить назад быстрее, чем луч света, направленный под прямым углом к траектории движения Земли.

При поддержке Эдварда Морли Майкельсон осуществил свой эксперимент с помощью специального механизма, поставленного на жесткую платформу из бетона, плавающую в бассейне со ртутью. Устройство со множеством зеркал можно было без труда вращать, избегая при этом нежелательных отклонений. Результаты эксперимента не оставили никаких сомнений: свет, проходящий через «поток эфира», проделывал свой путь ровно за то же время, что и свет, пронизывающий «поток эфира» в вертикальном направлении. Складывалось впечатление, будто Земля застыла на орбите, как в птолемеевской картине мира. Но отвергнуть теорию Коперника было немыслимо. Теория о том, что эфир вращается вместе с Землей, также оказалась неубедительной и была отвергнута в ходе экспериментов.

Безусловно, никакого эфира не могло и быть – пространство не обладает физическими свойствами. Как заявил однажды Генри Дэвид Торо: «Знание не приходит к нам по частям, оно – озарение небесного света». Джордж Фицджеральд применил прикладную логику, а не сошедшее с небес озарение, чтобы за несколько лет работы дать свое объяснение отрицательного результата в эксперименте Майкельсона – Морли. Он считает, что сама материя сжимается по оси своего движения, причем степень сжатия возрастает пропорционально скорости этого движения. Предмет, движущийся вперед, должен быть чуть короче предмета, когда тот неподвижен. Добавим, что приборы Майкельсона, как и любые измерительные инструменты, включая органы чувств человека, ведут себя подобным образом, то есть сжимаются, если они обращены в том же направлении, в котором движется наша Земля.

Поначалу такая гипотеза не была ничем подтверждена – а в отличие от политики, наука строится на доказательной базе. Однако вскоре великий голландский физик Хендрик Лоренц использовал для объяснения этого эффекта электромагнетизм. Лоренц был одним из первых исследователей, заявивших о существовании электрона, который и был открыт в 1897 году. Электрон стал первой субатомной частицей, и на сегодняшний день он является одной из трех частиц, называемых фундаментальными или неделимыми. По мнению многих физиков-теоретиков, включая Эйнштейна, Лоренц был величайшим физиком. Он полагал, что феномен сжатия представляет собой динамический эффект и что молекулярные силы, действующие на предмет в состоянии движения, не равны силам, которые испытывает предмет в состоянии покоя. Он объяснял это тем, что если электрически заряженный предмет начинает двигаться в пространстве, то его частицы займут иное положение и будут находиться друг от друга на иных расстояниях. В итоге изменится форма предмета и он сократится в направлении своего движения.

Лоренц предложил ряд уравнений, позднее названных преобразованиями Лоренца (см. приложение 1), которыми описываются изменения, происходящие при переходе от одной системы координат к другой. Сами уравнения преобразований Лоренца оказались такими красивыми и простыми, что Эйнштейн полностью использовал их в своей СТО в 1905 году. В этих уравнениях действительно воплощена вся математическая суть СТО. Лоренцу не только удалось количественно обосновать гипотезу о сокращении, он предвосхитил саму теорию относительности, правильно определив увеличение массы у движущейся частицы.

В отличие от длины, изменение массы электрона можно вычислить по его отклонению в магнитном поле. Уже к 1900 году Вальтер Кауфман сумел подтвердить предположение Лоренца об увеличении массы электрона. Более того, последующие эксперименты доказали почти идеальную точность уравнений Лоренца.

Принцип относительности был открыт Пуанкаре, а Лоренц вывел формулу для расчета всех изменений, но соединить два открытия воедино и получить результат предстояло именно Эйнштейну. В своей СТО он смог четко изложить все следствия из законов преобразования пространства-времени: ход часов при движении действительно будет замедляться, причем при движении со скоростью света замедление будет очень заметным. Например, на скорости 944 миллиона километров в час часы будут идти вдвое медленнее, чем в состоянии покоя. А на скорости света – 300 тысяч километров в секунду, они полностью остановятся. На обыденном уровне изменения почти неощутимы, мы не обладаем настолько тонким чутьем, чтобы уловить изменение времени. Даже если мы будем мчаться на космической ракете со скоростью около 100 миллионов километров в час, то ход наших часов замедлится всего на 0,5 %.

Уравнения теории относительности Эйнштейна, выведенные на основании преобразований Лоренца, спрогнозировали все парадоксы движения с высокими скоростями. Они описывают мир, который представить себе способны лишь немногие, хотя мы и живем во времена научно-фантастической литературы. Кстати, о времени – одним из лучших фантастов был Герберт Уэллс, написавший «Машину времени».

Исследователи продолжают проводить эксперименты, подтверждающие теорию Эйнштейна. Его уравнения проверялись и перепроверялись, хотя их пытались и опровергнуть, но уже сегодня мы располагаем технологиями, использующими эту теорию. Например, на ее принципах построена фокусировка электронного микроскопа. Или же схема электронно-лучевой трубки, подающей микроволновую энергию на радар.

Теория относительности Эйнштейна и биоцентризм этой книги (хотя здесь отдается предпочтение динамической «компенсационной теории» Лоренца) предсказывают одни и те же феномены. Но исходя из наблюдаемых фактов, довольно трудно отдать пальму первенства какой-то одной из них. «Каждый выбирает для себя, – писал один из ведущих современных философов науки Лоуренс Скляр, – что считать верным: теорию относительности либо ее компенсационную [биоцентрическую] альтернативу». Однако не обязательно отвергать Эйнштейна, чтобы вернуться к интуитивному восприятию пространства и времени человеком и животными. Они связаны с нами, а не с физическим миром. Не нужно придумывать новых размерностей и новую математику, чтобы объяснять, почему пространство и время для наблюдателя относительны.

Тем не менее такая совместимость характерна не для всех природных явлений. Если попытаться применить теорию Эйнштейна к пространству субмолекулярного уровня, то она попросту рассыплется. В теории относительности движение происходит в четырехмерном пространственно-временном континууме, и здесь мы должны определять или координаты и импульс, или энергию и время, причем в обоих случаях с неограниченно высокой точностью. А это несовместимо с принципом неопределенности.

Эйнштейновская трактовка природы была призвана объяснить парадоксы движения с высокой скоростью в гравитационных полях. Его теория не задается философским вопросом насчет существования пространства и времени независимо от наблюдателя. Теория относительности будет работать для движущейся частицы или кванта света, если такое движение происходит и в поле сознания, и в полном ничто.

Но как бы математически ни описывать движение, пространство и время все равно останутся свойствами лишь воспринимающего организма. Мы можем судить о них исключительно с точки зрения жизни, хотя пространство-время в СТО и принято считать самодостаточной сущностью, с независимым бытованием и структурой.

Более того, только сейчас мы понимаем, что Эйнштейн просто заменил абсолютную внешнюю четырехмерную сущность абсолютной внешней трехмерной сущностью. В начале своей статьи об общей теории относительности (ОТО) он сетует на некоторый недостаток своей СТО. Эйнштейн описал объективную реальность как пространство-время, которое не зависит от любых событий, происходящих на его арене. Но одна проблема беспокоила бы его и доживи он до наших дней. Эйштейн был последователен в своих убеждениях и непрестанно твердил, что «свободной воли не существует». Неизбежным следствием стал его вывод о самостоятельно действующей Вселенной, после чего мы скатываемся к дуализму и независимости эго, однако концепция отдельного существования сознания и внешнего космоса явно несостоятельна. Но между наблюдателем и наблюдаемым не может быть никакого разделения. Если разбить эту пару, то реальность исчезает.

Работы Эйнштейна в том виде, в каком они появились, превосходно подходили для вычисления траекторий и определения последовательности событий. Эйнштейн не пытался разобраться в подлинной природе времени и пространства, поскольку их невозможно объяснить по законам физики. Для этого сначала необходимо понять, как мы воспринимаем и представляем себе мир вокруг нас.

В самом деле, каким образом мы видим предметы, если мозг заперт внутри черепа, в закрытом костяном своде? Неужели вся эта богатая красками и светом Вселенная приходит к нам через крошечное отверстие зрачка, и, чтобы стать видимой, Вселенной достаточно лишь узкого луча света? И как все эти слабые электрохимические импульсы приводятся в порядок, последовательность и в единство? Как мы распознаем страницу этой книги, лицо человека и вообще все, что нам попадается на глаза? Это кажется настолько обычным, что лишь единицы задаются вопросом: а как это происходит? Традиционная физика бессильна понять, что весь этот круговорот ярких образов вокруг нас является конструкцией, лишь готовым продуктом у нас в голове.

«Самоуверенно приступив к вопросам [эпистемологии], – писал Альберт Эйнштейн, – я очень быстро понял, на какой скользкий путь пришлось ступить. У меня не было при этом никакого опыта, ведь до этого я предусмотрительно ограничивал себя областью физики». Какое удивительное утверждение! И оно было сделано спустя почти полвека после того, как была разработана СТО.

Вполне возможно, что Эйнштейн пытался построить замок, не вполне разбираясь в пригодности имеющегося строительного материала. В молодости он был убежден, что справится с работой, разбираясь лишь в физических аспектах реальности, не рассматривая живую материю. Однако Эйнштейн не был ни биологом, ни медиком. Он всегда был увлечен математикой, уравнениями и квантами света. Великий физик провел последние 50 лет жизни в безуспешных попытках создания «теории всего» для полного описания космоса. К сожалению, выходя из своего кабинета в Принстоне, он не смотрел на соседний пруд и не видел, как стая пескарей у самой поверхности воды всматривается во Вселенную, частью которой они являются.