Однако сегодня принято проводить грань между физическими законами, которые говорят о том, каким будет движение, если оно началось при определенных условиях, и утверждениями о том, как была создана наша Вселенная, поскольку о последнем мы знаем совсем мало. Обычно считают, что астрономическая история, или космогоническая теория, - это не совсем то же, что законы физики. Правда, если вы спросите меня, в чем тут разница, то я окажусь в затруднительном положении. Самая характерная черта физического закона - это его общность, но если на белом свете существует что-нибудь действительно общее, то это факт разбегания всех небесных тел. Поэтому я не знаю точно, в чем тут разница. Если же условиться не обращать внимания на процессы, связанные с возникновением Вселенной, а брать лишь настоящие физические законы, известные нам, то сдвиг во времени не будет играть никакой роли.
Приведем еще несколько примеров законов симметрии. Один из них связан с фиксированными пространственными поворотами. Если проводить какой-либо опыт с установкой, построенной в каком-нибудь определенном месте, а затем взять другую точно такую же установку (возможно, перенесенную в другую точку пространства, где посвободнее) и повернуть ее так, чтобы все ее оси имели другую ориентацию, то установка будет работать точно таким же образом, как и раньше. Конечно, при этом нам снова нужно повернуть и все остальное, существенное для эксперимента. Если речь идет о дедовских часах и вы положите их на бок, маятник просто уткнется в стенку футляра и часы остановятся. Но если вместе с часами повернуть и Землю (которая и так все время поворачивается), часы будут идти по-прежнему.
Математическое описание этой возможности поворота представляется довольно интересным. Для того чтобы описать, как протекает какой-либо процесс, мы пользуемся числами, показывающими, о каком месте идет речь. Эти числа называют координатами точки, и иногда нам приходится брать три числа, показывающих, как высоко над некоторой плоскостью расположена наша точка, как далеко она впереди или сзади (если число отрицательное) от нас и насколько она смещена от нас вправо или влево. Те, кто был в Нью-Йорке, знают, что устроенная таким образом нумерация улиц очень удобна, или, точнее, была удобна до тех пор, пока не изменили название Шестой авеню.
Рис. 26.
а- положение точки Р относительно меня характеризуется двумя числами х и у, число х показывает, насколько далеко вперед ушла от меня точка Р, а число у - насколько она смещена влево,
б- положение той же самой точки Р характеризуется двумя другими числами, если я стою на прежнем месте, но повернулся в сторону.
Поворот в пространстве с математической точки зрения выглядит следующим образом. Если я указываю положение некоторой точки (рис. 26), сообщая ее координаты х и у, а кто-то другой, повернувшись лицом в сторону, задает положение точки координатами х' и у', определенными относительно его собственного положения, то, как легко видеть, моя координата х представляет собой "смесь" обеих координат, вычисленных другим наблюдателем.
Формула преобразования такова, что каждая координата х и у превращается в смесь двух координат х' и у'. Так вот, законы природы должны быть такими, что если смешать координаты подобным образом и подставить полученные выражения в уравнения, эти уравнения должны сохранять свой вид. Именно в этом состоит математическое проявление указанной симметрии. Вы записываете уравнения в определенных символах, затем находите способ замены этих символов х и у на новые х' и у', каждый из которых связан со старыми х и у определенной формулой, и после замены уравнения по-прежнему выглядят так, как и раньше, разве что у х и у появились штрихи. А это в конечном счете означает, что другой наблюдатель увидит на своей установке точно то же, что я вижу в своей, хотя она и повернута.
Приведу еще один очень интересный пример закона симметрии. Он связан с равномерным движением по прямой. Считается, что законы физики не меняются при равномерном движении по прямой. Это утверждение получило наименование принципа относительности. Возьмем космический корабль, какое-нибудь устройство в нем, выполняющее определенную работу, и возьмем другое совершенно такое же устройство, установленное здесь, на Земле. Тогда, если космический корабль будет двигаться с постоянной скоростью, наблюдатель на борту корабля, изучающий поведение устройства, не заметит в нем ничего нового по сравнению со мной, наблюдающим поведение неподвижного устройства на Земле. Конечно, если движущийся наблюдатель выглянет в иллюминатор или налетит на какое-то препятствие, это совсем другое дело. Но в остальном, пока он движется с постоянной скоростью по прямой, законы физики кажутся ему точно такими же, что и мне. А раз это так, я не могу решить, кто же из нас движется.
Прежде чем идти дальше, мне хотелось бы подчеркнуть, что во всех этих преобразованиях и всех этих законах симметрии мы не говорили о переносе Вселенной в целом. В случае сдвигов по времени говорить о таком сдвиге для всех процессов Вселенной значило бы вообще ничего не сказать. Точно так же нет никакого разумного содержания и в утверждении, что если бы можно было перенести всю нашу Вселенную в другое место в пространстве, ничего не изменилось бы. Замечательно во всех этих законах вот что: если взять какую-то установку и перенести ее в другое место, убедиться в выполнении целого ряда условий и перенести туда же достаточно дополнительных устройств, то окажется, что нам удалось выделить часть нашей Вселенной и переместить ее относительно оставшейся части, и это не приводит для наблюдаемого явления к каким-либо последствиям, все останется, как и раньше.
В случае принципа относительности это значит, что тот, кто летит в космосе по прямой с постоянной скоростью относительно среднего положения нашей Вселенной, не заметит никаких признаков своего движения. Иначе говоря, опыты, поставленные внутри движущегося тела и не связанные с выглядыванием в окошко, не позволяют определить по каким-либо признакам, движемся ли мы относительно всех звезд в совокупности или нет.
Это утверждение было впервые высказано Ньютоном. Рассмотрим его закон всемирного тяготения. Он утверждает, что силы взаимодействия между массами обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и что каждая сила вызывает изменение скорости.
Предположим теперь, что мне удалось построить теорию движения планеты, вращающейся вокруг неподвижного Солнца, а мне хочется выяснить, что происходит с планетой, вращающейся около движущегося Солнца. Во втором случае все скорости отличны от тех, которые наблюдаются в первом случае, к их старым значениям нужно прибавить некоторую постоянную скорость. Но закон содержит утверждение лишь относительно изменений скорости, а поэтому на самом деле получается, что все силы, действующие на планету неподвижного Солнца, в точности такие же, как и для планеты дрейфующего Солнца, и, следовательно, все изменения скорости для обеих планет одинаковы. Поэтому любая дополнительная скорость, с которой мы начинаем во втором случае, сохраняет свое значение, и все изменения скорости накапливаются помимо этого.
Окончательный результат таких математических рассуждений говорит, что если добавить всем телам постоянную скорость, то они по-прежнему в точности будут подчиняться тем же законам, что и раньше. Вот поэтому, изучая Солнечную систему и траектории движения планет вокруг Солнца, мы не можем решить, неподвижно ли Солнце относительно нашей Вселенной или оно движется. В соответствии с законом Ньютона такое движение Солнца никак не отражается на движении планет вокруг Солнца. Поэтому Ньютон добавлял: "Движение тел в пространстве относительно друг друга одно и то же, независимо от того, неподвижно ли это пространство относительно звезд или движется по прямой с постоянной скоростью".
Время шло, и после Ньютона были открыты новые законы, и в их числе законы электродинамики Максвелла (1831-1879). Одно из следствий законов электродинамики заключается в том, что должны существовать волны, электромагнитные волны (световые волны могут служить их примером), которые распространялись бы со скоростью 299 792 км/с, ни больше, ни меньше. То есть именно 299 792 км/с, что бы там ни было. Но тогда нетрудно решить, что же находится в покое, а что движется, так как закон, согласно которому свет распространяется со скоростью ~300 000 км/с, наверняка (с первого взгляда) не таков, чтобы позволить наблюдателю двигаться без каких-либо видимых изменений. Очевидно, не правда ли, что если вы находитесь в космическом корабле и летите со скоростью 200 000 км/с в каком-то направлении, а я останусь на Земле и направлю пучок света, распространяющийся со скоростью 300 000 км/с, через маленькую дырочку в вашей кабине, то, поскольку вы движетесь со скоростью 200 000 км/с, вам будет казаться, что свет распространяется лишь со скоростью 100 000 км/с. Но, как выяснилось, если действительно поставить такой эксперимент, то вам будет казаться, что свет распространяется со скоростью 300 000 км/с относительно вас, а мне - что он распространяется со скоростью 300 000 км/с относительно меня!
Явления природы не так-то просто понять, и описанный экспериментальный факт настолько противоречил здравому смыслу, что и сейчас еще находятся люди, не верящие в этот результат! Но раз за разом опыты показали, что скорость распространения света равна 300 000 км/с независимо от того, как быстро мы сами движемся. Возникает вопрос, как же это может быть. Эйнштейн, так же как и Пуанкаре (1854-1912), понял, что единственное объяснение, позволяющее двум движущимся относительно друг друга наблюдателям получать одинаковое значение скорости света, заключается в том, что их восприятие времени и пространства неодинаково, что часы космического корабля идут не так, как на Земле, и т. д. Вы можете возразить: "Но если часы все же идут и я, находясь в космическом корабле, стану наблюдать за ними, то я смогу заметить, что они отстают". Нет, не можете, часы вашего мозга также будут идти медленнее обычного! Вот так, предусмотрев соответствующие изменения абсолютно всех процессов, происходящих в космическом корабле, удалось сочинить теорию, в соответствии с которой скорость света в космическом корабле равна 300 000 космических километров в космическую секунду, а здесь, на Земле, - 300 000 моих километров в мою секунду. Это очень хитрая теория, и достойно удивления уже то, что построить такую теорию вообще оказалось возможным.
Я уже упоминал об одном из следствий принципа относительности, а именно о невозможности определить изнутри скорость движения по прямой. Помните, в предыдущей лекции речь шла о двух космических кораблях А и В (см. рис. 18). В каждом конце корабля В происходило некоторое событие. Человек, стоящий посредине этого корабля, утверждал, что два события (х и у) в двух противоположных концах его корабля произошли одновременно, так как, стоя посреди корабля, он увидел световой сигнал о каждом из этих событий одновременно. Но человек, находившийся в корабле А, движущемся в это время с постоянной скоростью по отношению к кораблю В, увидел оба эти явления не сразу, а сначала х и уж потом у, так как световой сигнал о событии х дошел до него раньше, чем сигнал о событии у. Ведь он двигался вперед. Вы видите одно из следствий симметрии относительно прямолинейного движения с постоянной скоростью (где слово "симметрия" должно означать, что вы не можете решить, чья точка зрения правильна); когда я говорю, что событие происходит в мире "сейчас", в этом нет никакого смысла.
Если вы движетесь по прямой с постоянной скоростью, то события, которые кажутся вам одновременными, это не те события, которые кажутся одновременными мне, хотя бы в тот самый момент, когда я наблюдаю одновременные события, мы и находились в одной точке. Нам не удастся договориться, что следует понимать под словом "сейчас" на расстоянии. А это приводит к необходимости коренных изменений наших представлений о пространстве и времени, чтобы можно было сохранить принцип, согласно которому нельзя обнаружить изнутри равномерное движение по прямой. Ведь получается, что с одной точки зрения два события кажутся одновременными, а с другой - нет, если они происходят не в одном месте, а разнесены на определенное расстояние.
Нетрудно видеть, что это очень напоминает преобразование пространственных координат. Если я встану лицом к аудитории, то рампа эстрады, на которой я нахожусь, оказывается на одном уровне со мной. У нее постоянное х и меняющиеся значения у. Но если я повернусь на 90" и посмотрю на те же стены, но уже с новой точки зрения, то одна из них окажется впереди меня, а другая сзади, и им соответствуют разные значения х'. Точно таким же образом два события, которые с одной точки зрения кажутся одновременными (одно и то же значение t), с другой - могут казаться происходящими в разные моменты времени (разные значения t'). Другими словами, мы обобщаем здесь поворот в двумерном пространстве, о котором речь шла раньше, на случай пространства и времени, образующих вместе четырехмерную вселенную.
Добавление времени в качестве новой координаты к трем пространственным координатам - это не просто искусственный прием, как объясняется в большинстве научно-популярных книг, где говорится: "Мы добавляем временную координату к пространственным, потому что нельзя ограничиться указанием местоположения точки, нужно сказать еще и когда". Все это верно, но это не привело бы еще к образованию настоящего четырехмерного мира. Это означало бы лишь положить рядом две разные вещи. Настоящее пространство в известном смысле характеризуется тем, что оно существует само по себе, независимо от какой-то частной выбранной точки зрения, и когда мы смотрим под -разными углами, часть того, что "спереди" или "сзади", может смешаться с тем, что "справа" или "слева". Точно так же и то, что "было" или "будет" во времени, может частично смешиваться с тем, что "там" или "здесь" в пространстве. Пространство и время оказываются неразрывно связанными между собой. После этого открытия Минковский заметил, что "отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность".
Этим конкретным примером я занимаюсь так подробно потому, что, по сути дела, именно отсюда и начинается настоящее изучение симметрий физических законов. Именно Пуанкаре предложил исследовать, что можно делать с уравнениями, не меняя при этом их вида. Именно ему принадлежит идея обратить внимание на свойства симметрии физических законов. В симметрии относительно пространственных переносов, сдвигов во времени и т. п. не было особой глубины. Симметрия же относительно равномерного прямолинейного движения очень интересна, и из нее вытекают самые разнообразные следствия. Более того, эти следствия можно распространять на законы, которых мы не знаем. Например, предполагая, что этот принцип справедлив и для распада ?-мезонов, мы можем утверждать, что при их помощи нельзя узнать, как быстро движется космический корабль. А это значит, что мы знаем хоть что-то о законах ?-мезонного распада, хотя у нас нет никаких сведений о том, чем же, собственно, вызывается этот распад.
У физических законов есть немало и других свойств симметрии, и некоторые из них совсем другого рода. Я упомяну только несколько. Одно из подобных свойств состоит в том, что один атом можно заменить другим того же типа и это никак не скажется на любом явлении. Позволительно спросить: "А что значит одного типа?" И мне остается только ответить, что однотипные атомы позволяют заменять один другим без каких-либо последствий! Не правда ли, создается впечатление, что физики все время занимаются какой-то бессмыслицей. Атомы бывают разных типов, и если вы замените один атом атомом другого типа, то что-то изменится, а если того же типа, то ничего не изменится - и мы никогда не выйдем из заколдованного круга. Но настоящий смысл нашего утверждения состоит в том, что атомы одного типа существуют, что можно найти такие группы или классы атомов, в которых замена одного атома другим не будет иметь никакого значения. А так как количество атомов в таком крошечном кусочке вещества, как моль данного вещества, оценивается числом с 23 нулями, нам очень важно, что некоторые из них одинаковы, что не все они совершенно различны. На самом деле очень важно, что мы можем разделить их на конечное число (несколько сотен) различных типов, а раз это так, то наше утверждение о том, что один атом можно заменить без каких-либо последствий другим, однотипным, несет совсем немало информации.