Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего - Джордж Массер

Для объяснения подобных совпадений недостаточно проанализировать свое непосредственное окружение — необходимо исследовать общую структуру Вселенной. Требование логической непротиворечивости налагает ограничение на материю, которая проходит через кротовую нору (а иногда и на материю в других частях Вселенной), и подобное ограничение есть форма нелокальности. Происходящее в одном месте зависит от того, что происходит в других местах.

•

Второй тип нелокальности в общей теории относительности еще проще. Он вытекает из ключевого нововведения теории: такой вещи, как место, не существует за пределами пространства-времени, не существует внешней, или абсолютной, системы, относительно которой его можно оценивать. Это вроде бы очевидное положение имеет важные последствия. Оно означает, что пространство-время не только искривляется, но и теряет многие качества, которые мы связываем с ним, включая возможность определять местоположение.

Дон Маролф говорит, что «это очень тонкий момент и если честно, то Эйнштейн не понимал его довольно долго». Предыдущая концепция пространства, включая ньютоновское представление и даже ранние идеи самого Эйнштейна, предполагала, что пространство имеет фиксированную геометрию, которая позволяла мысленно подняться над ним и взглянуть на него сверху. В сущности, в какой-то момент Эйнштейн настаивал на существовании абсолютной точки отсчета, ибо в противном случае форма пространства становилась неопределенной. Чтобы понять, откуда появляется неопределенность, посмотрим, как мы пользуемся географическими данными в повседневной жизни. Можно предположить, что существует уникальная «реальная» форма ландшафта, иначе говоря, то, что показывает «Гуглобус», однако на практике форма определяется реальными наблюдениями ландшафта, а эти наблюдения могут варьировать. Студент, опаздывающий на экзамен, спортсмен, прихрамывающий из-за растянутого сухожилия, преподаватель, беседующий на ходу с коллегами, и велосипедист, распугивающий пешеходов, воспринимают кампус по-разному. Короткое расстояние для одного может казаться бесконечным другому. Если не смотреть на местность с высоты птичьего полета, то мы не можем точно сказать, что где расположено.

Во время озарения, пришедшего в 1915 г., Эйнштейн понял, что неопределенность — это не недостаток, а свойство. Он заметил, что мы никогда не воспринимаем объекты с точки зрения абсолютного местоположения. Мы присваиваем положение на основе размещения объектов относительно друг друга, а главное — эти относительные положения объективны. Все без исключения прохожие в университетском кампусе распознают базовую последовательность мест. Они располагают студенческий центр Калифорнийского университета и лагуну рядом, а не разносят их по разным концам кампуса. Обитатели кампуса понятия не имеют, неподвижен ли ландшафт или он движется, сохраняя относительное расположение частей. Так и с пространством-временем. Разные наблюдатели могут приписывать месту разное положение, однако все сходятся во мнении о взаимном расположении мест. Именно взаимное расположение определяет происходящие события. «Если Джордж и Дон встречаются в определенном кафе в полдень в первом пространстве-времени, — объясняет Маролф, — то они делают это и в измененном пространстве-времени. Разница в том, что в первом случае это должно произойти в точке В, а в измененном случае — в точке А».

Кафе тогда располагается либо в точке А, либо в точке В, либо в точке C, D, E — в бесконечном множестве возможных позиций. Когда мы говорим, что это располагается в таком-то месте, в реальности используется привязка к другим ориентирам. В отсутствие определенных координат положение кафе должно определяться по отношению к соседним объектам. Чтобы найти его, нужно определить в мире место, где столики, стулья и салатный бар расположены именно так, а патио выходит на лагуну, залитую солнцем Южной Калифорнии. Положение студенческого центра — это свойство не одного центра, а целой системы, к которой он относится. «Вопрос, который ты задал, в принципе применим и к пространству-времени в целом», — говорит Маролф.

•

Такая неопределенность положения имеет более чем поверхностное сходство с тем, что мы уже видели в случае электромагнетизма. Это гравитационная версия калибровочной инвариантности. Невозможность увидеть разницу между точками А, В и С сродни невозможности сказать, какую величину имеет потенциал, 0 В, 120 В или 1 000 120 В. Для гравитации, как и для электромагнетизма, неопределенность локализованных измерений является формой нелокальности. И она обусловлена не свойствами частиц и полей, а тем, что само пространство не может поддерживать локализованную структуру. Точки в пространстве неразличимы и равноценны. В силу того что у них нет отличительных особенностей, то, из чего состоит мир, не должно находиться в точках. Такие количественные показатели, как энергия, не могут быть связаны с каким-либо конкретным местом по той простой причине, что не существует такой вещи, как конкретное место. Определить положение — все равно что поставить флаг в море. Эти количественные показатели должны быть холистическими по своему характеру, т.е. свойствами пространства-времени в целом.

Более того, многочисленные эквивалентные формы пространства характеризуются различными конфигурациями гравитационного поля. В одной конфигурации поле может оказывать более сильное воздействие в отдельно взятом месте, чем в другой конфигурации, с соответствующими изменениями в остальных местах, позволяющими сохранять относительное расположение объектов. Точки в гравитационном поле должны быть взаимосвязанными так, чтобы они могли смещаться совместно, обеспечивая одно и то же внутреннее расположение объектов. Такие связи нарушают принцип, в соответствии с которым отдельные участки в пространстве существуют независимо друг от друга. Маролф говорит об этом так: «Любая теория гравитации — это не описание локального поля. Даже в классической теории есть важные уравнения связи. Поле в этой точке пространства-времени и поле в этой точке пространства-времени не являются независимыми».

Это, однако, не означает, что пространство — чистая выдумка. Оно, несмотря ни на что, обладает определенной независимой реальностью — оно может расширяться и сжиматься, допускать распространение волн и существовать даже в отсутствие материальных объектов, поэтому его нельзя полностью свести к системе взаимосвязей между объектами. В большинстве случаев вы можете мыслить категориями пространственного расположения. Можно выбрать доступную массу материи в качестве базовой точки и использовать ее для привязки координатной сетки. Можно, например, к разочарованию жителей Санта-Барбары, сделать Лос-Анджелес центром Вселенной и отсчитывать координаты всех остальных мест относительно него. В такой системе вы можете заниматься своими делами, совершенно не задумываясь о фундаментальной невозможности разграничения мест. «После этого физика выглядит локальной, — говорит Дон Маролф. — Динамика гравитации совершенно локальна. Все непрерывно движется со скоростью, ограниченной скоростью света». Однако свойства гравитации остаются лишь «псевдолокальными». Нелокальность всегда здесь, она таится под поверхностью, выжидая подходящий момент для проявления.

Короче говоря, теория Эйнштейна нелокальна более утонченным и незаметным образом, чем теория гравитации Ньютона. Ньютоновская гравитация действует на расстоянии, однако, по крайней мере, в структуре абсолютного пространства. У эйнштейновской гравитации нет такого элемента волшебства — ее эффекты распространяются во Вселенной со скоростью света. Но при этом она уничтожает структуру, разрушая наше интуитивное представление о пространстве как о некоем контейнере, в котором находятся материальные объекты. Общая теория относительности заставляет нас искать совершенно новую концепцию пространства.