Текст книги "На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё"

Глава 6
Фиктивные силы

– Есть хочешь? – спросила мама, пока отец, ухватив мой чемодан, потащил его в дом.

Мы пошли следом. Кэссиди тоже побежала рядом, радостно колотя меня хвостом по ногам.

– Должно быть, проголодалась, пока летела, – говорила мама. – Поверить не могу, что ты отправилась в путь, не предупредив нас.

Судя по выражению лица, она действительно была недовольна.

– В нашей семье, – сказала она суровым голосом, глядя на меня сверху вниз, – не принято летать через океан, никому ничего не сказав.

– Извини, – попросила я. – Это было внезапное решение.

– Настолько внезапное, что даже позвонить было некогда?

– Мне хотелось удивить папу. У меня случилось прозрение.

– О прозрении тоже можно рассказать по телефону.

– По-моему, – сказал я, обиженно надувая губы, – это совсем не то.

Мы прошли на кухню, и я села за стол. Отец сел рядом. Кэссиди разлеглась на полу у моих ног.

– Так ты хочешь есть?

– Я только что из Англии, – сказала я. – Так что я умираю с голоду!

– А что за прозрение? – спросил отец.

– Я могу приготовить курицу, – сказала мама, заглядывая в холодильник. – А еще есть та острая лапша, которая тебе нравится. Посмотрим… Есть фруктовый салат. Есть арахисовое масло…

Кэссиди навострила уши, а я содрогнулась от одной только мысли.

– Нет, только не арахисовое масло, никакого арахисового масла!

– Так в чем прозрение? – повторил отец.

– Могу сделать салат с фетой и грецкими орехами.

– Было бы неплохо.

– А чем заправить? У меня есть уксус с малиновым сиропом.

– Ради бога, не томи: что еще за прозрение?

– Ладно, – сказала я, поворачиваясь к отцу. – Ты готов меня слушать?

Он весь обратился в слух.

– Что-либо реально, только если оно инвариантно, – сказала я.

Он уставился в пространство, шепотом повторяя за мной:

– Что-либо реально, только если инвариантно…

– Подумай сам. Инвариантно – то, что в любой системе отсчета одно и то же. Это нечто такое в мире, относительно чего у всех наблюдателей единое мнение. Мы так интуитивно определяем понятие «объективный». Так мы проверяем что-то на реальность. Если можно найти хотя бы одну систему отсчета, в которой оно исчезает, тогда это не инвариант, оно зависит от наблюдателя. Оно не реально.

Он на мгновение задумался.

– Итак, если нечто инвариантно, то оно реально. А если оно зависит от наблюдателя, тогда это что? Иллюзия?

– Нет. Я не говорю, что это галлюцинация или что это субъективно. Но оно в конечном счете не реально.

– Как радуга.

– Точно! Это физическое явление, оно не субъективно, но и не реально. Верно? Подожди. А откуда берется радуга?

– Радуга возникает, когда лучи солнечного света преломляются в капельках воды в воздухе.

– Правильно. Так нам нужно солнце и капельки воды, поэтому радуга объективна, но она зависит от вашей системы отсчета. Если вы перейдете на другое место, вы можете ее больше и не увидеть. Это вполне солидное физическое явление, а вовсе не обман зрения. Не существует физической разноцветной радуги как предмета, висящего в небе, который можно пощупать. Вы не можете ее ухватить. Она как мираж. Она не реальна.

– Она как цвет галактики, – подхватил отец. – Цвет галактики – вовсе не ее собственное свойство, он зависит от того, как галактика движется относительно наблюдателя. Из-за их относительного движения частота световой волны изменяется, а от частоты зависит, какого цвета мы ее видим. Если цвет галактики смещен в красную сторону спектра, то мы знаем, что она удаляется от нас. Если в голубую, – она движется к нам. Это эффект Доплера. Он зависит от наблюдателя.

Я кивнула.

– Если мы хотим отыскать конечную реальность, мы должны устранить все свойства Вселенной, зависящие от выбора системы отсчета, пока не останутся только те, которые действительно инвариантны.

Мама поставила на стол салатник с тарелками и вилками.

Кэссиди заскулила. Я посмотрела вниз. Она посмотрела на меня, высунула язык и подала лапу.

– Ты уверена? – спросила я ее. – Салат?

Я подбросила листик салата в воздух; ее челюсти схлопнулись, листик исчез.

Мама наградила меня неодобрительным взглядом.

Вечером я достала из чемодана несколько книг и статей и направилась в сторону нашей физической библиотеки. В коридоре мама сидела на полу рядом с собакой и шептала: «Да, я люблю тебя. Да».

– Все еще ненавидишь собак? – спросила я.

– Да, – проворковала она, и Кэссиди лизнула ее в нос.

В библиотеке отец сидел, развалившись в своем кожаном кресле, и листал книгу. Я устроилась поудобнее на кушетке.

– Посмотри эту статью, – сказала я. Она была написана Максом Борном, одним из основоположников квантовой механики, опубликована в Philosophical Quarterly в 1953 году и озаглавлена «Физическая реальность». Я прочитала вслух первые строки:

– «За последние сто лет понятие реальности в физическом мире стало довольно проблематичным».

Мой отец рассмеялся:

– Вот как?

Я продолжала читать вслух, отец внимательно слушал:

«Вырежьте из куска картона фигуру, – писал Борн, – скажем круг, и наблюдайте тени, которые он отбрасывает от удаленной лампы на плоскую стену. Тени от круга в общем случае окажутся эллипсами; вращая вашу картонную фигуру, вы можете получить любое значение длины оси эллиптических теней между близкими к нулю и максимумом. Это точная аналогия с поведением длины в теории относительности: в различных состояниях движения она может иметь любое значение между нулем и максимумом… Очевидно, что одновременного рассмотрения теней на многих различных плоскостях достаточно для того, чтобы доказать тот факт, что первоначальная картонная фигура является кругом, и однозначно определить ее радиус. Этот радиус есть то, что математики называют инвариантом преобразований, вызываемых параллельными проекциями»[22]22
  Рус. пер. В. Г. Суворова. Цит. по: УФН. 1957. Т. 62. № 6. С. 133–134.


[Закрыть].

– На том же принципе основана томография, – нахмурился отец.

Мама, очарованная Кэссиди.

Фото: У. Гефтер.

Я продолжала читать:

«Проекция (тень в нашем примере) определяется относительно системы отсчета (стен, на которые может отбрасываться тень). В общем случае существует много эквивалентных систем отсчета. <…> Инварианты суть величины, которые имеют одно и то же значение для любой системы отсчета и потому независимы от преобразований».

– То есть не зависят от наблюдателя.

– Точно. И вот зацепка, – сказала я, продолжая. – «И вот главный прогресс в структуре понятий в физике состоит в открытии того, что определенная величина, которая рассматривалась как свойство предмета, в действительности есть только свойство проекции».

– Это очень интересный момент, – сказал мой отец. – Прогресс в физике связан с осознанием того, что нечто, считавшееся когда-то инвариантным, на самом деле зависит от системы наблюдения. Как тень.

– Угу. Борн продолжает: «Я убежден, что идея инвариантов является ключом к рациональному понятию реальности». Затем он рассказывает о квантовой механике, аргументируя, что измерение – это проекции на какую-либо систему отсчета, с которой связана измерительная аппаратура. И он заканчивает словами: «Таким образом, инварианты суть понятия, о которых естествознание говорит так же, как на обыкновенном языке говорят о „вещах“… Что здесь приближает к реальности, так это всегда своего рода инвариантный характер структуры, независимый от аспекта, от проекций».

– Реальное – это то, что инвариантно.

Я кивнула:

– Реальное – это то, что инвариантно. Звучит слишком очевидно, но это невероятно глубокое умозаключение, как оно ни банально.

– Я начинаю понимать, – сказал отец, перелистывая страницы сборника научных трудов Эйнштейна. – В целом эта же идея лежит в основе теории относительности. Вот послушай. Эйнштейн размышлял об электричестве и магнетизме. При перемещении магнита возникает электрическое поле, и при перемещении электрона возникает магнитное поле. Но как можно различить, что на самом деле движется? Движение относительно – вы покоитесь относительно электрона или относительно магнита? Он писал: «Мысль, что это две принципиально различные ситуации, была невыносима для меня. Я был убежден, что разница между ними не могла быть существенной, а возникала только из-за разницы в системе координат. В системе [движущегося] магнита не было никакого электрического поля. В системе эфира электрическое поле, конечно, присутствует. Таким образом, существование электрического поля было относительно, в зависимости от состояния движения используемой системы координат, и только электрические и магнитные поля вместе можно было бы отнести к разновидности объективной реальности, которая не зависит от состояния движения наблюдателя или системы координат. Это явление магнитоэлектрической индукции помогло мне сформулировать (специальный) принцип относительности»[23]23
  Из неопубликованной рукописи Эйнштейна 1920 года.


[Закрыть].

Пока мой отец зачитывал мне слова Эйнштейна, я поняла, что главное, за что физики должны были благодарить Эйнштейна, – это доказательство фундаментальной связи между инвариантностью и реальностью.

Поскольку движение относительно, а законы электромагнетизма требуют, чтобы свет распространялся со скоростью 186 000 миль в секунду, пространство и время сами должны изменяться при переходе от одной системы отсчета к другой. То есть пространство и время зависят от системы отсчета наблюдателя. Они не реальны.

Отметая все, что зависело от систем отсчета наблюдателя, Эйнштейн обнаружил, что реальным является единый четырехмерный пространственно-временной континуум. Разные наблюдатели могут по-разному разрезать его, называя одни проекции «пространством», а другие «временем», но это просто разные точки зрения на один и тот же инвариант. Если протяженность вашей мировой линии, скажем, десять единиц, то я могла бы отнести пять из них на счет пространства и другие пять – на счет времени. Но в другой системе отсчета мой отец мог бы назвать семь из них единицами пространства и только три – единицами времени, иными словами, два единицы, которые он видит как пространство, я вижу как время. Световые волны видят все десять единиц единицами пространства, ничего не оставляя на счет времени. Вот почему вы не можете двигаться быстрее, чем свет. Вы не можете выделить на счет времени меньше нуля. Если вы это сделали, то у вас оказалось бы отрицательное число, означающее, что вы научились путешествовать назад во времени.

Дело же все в том, что как ни разрезай пространство-время, оно так и останется пространством-временем. Это инвариант.

Вот почему Герман Минковский сказал: «…Отныне пространство само по себе и время само по себе обречены исчезнуть, превратиться в тень, и только их своеобразный союз сохранит независимую реальность». Пространство и время были как тени на стене; пространство-время было подобно картонной фигуре.

Эйнштейн полагал, что второе было важнее, чем первое: для него не так было важно то, что было относительным, как то, что было инвариантным, поскольку он знал, что то, что инвариантно, то и реально. В связи с этим он выражал сожаление, что назвал свою теорию теорией относительности, вместо того чтобы назвать ее Invariantentheorie: теория инвариантов.

Интересно, что мы никогда не увидим пространства-времени. Как узники в платоновской пещере, мы вынуждены познавать мир через его тени, а Вселенную – разрезанной на части трехмерного пространства и одномерного времени. Но, обнаруживая в уравнениях Эйнштейна инвариант, получивший название интервала и сохраняющийся неизменным при преобразованиях Лоренца, мы можем за обманчивой видимостью разглядеть истинную реальность. Пространство-время – это симметрия, но в нашем восприятии Вселенной эта симметрия нарушена. Мы живем среди ее осколков.

Зависимость от системы отсчета наблюдателя только возросла, когда Эйнштейн проапгрейдил специальную теорию относительности до общей. Рассказывают, что озарение – Эйнштейн назвал его своей «самой счастливой идеей» – пришло, когда он увидел, как рабочий упал с крыши здания, расположенного напротив его патентного офиса. Это звучит, как если бы Эйнштейн был последним подонком. Но это, наверное, не так. В любом случае, ему пришло в голову, что человек, падающий с крыши, находился в свободном падении и испытывал состояние невесомости, как если бы гравитация для него внезапно исчезла. Это была его самая счастливая мысль, поскольку в ней содержалось невероятное прозрение: если гравитация может исчезнуть в одной из систем отсчета, то она не может быть фундаментальным свойством реальности. Она должна была быть иллюзией восприятия.

В восприятии злополучного кровельщика он находился в обычной инерциальной системе отсчета, и в ней отсутствует сила тяжести. И чувства его не обманывали: со своей точки зрения, он действительно находился в невесомости, и если бы он успел сделать некоторые простые научные опыты по пути вниз, их результаты подтвердили бы это. Если бы, например, он вынул свои ключи из кармана и уронил их, они бы не упали к его ногам, как бы это случилось в присутствии силы тяжести, а просто повисли бы рядом с ним, падая с такой же скоростью. Единственное, что в этом случае было необычным, это массивная планета, которая с неожиданным ускорением приближалась к нему.

Инерциальной системе отсчета соответствует прямая линия в пространстве-времени. Но падение человека в восприятии стоящих на земле зрителей, которые показывают на него пальцем и смеются, происходит с ускорением. Для них он ускоряется и его мировая линия описывается кривой линией. Так что это? Прямая или кривая линия?

Эйнштейн знал, что и то и другое верно, поскольку прямая и кривая линии – это лишь разные описания одного и того же движения одного и того же человека. Но как могут быть оба варианта ответов верными одновременно? Как может кривая быть прямой? Чтобы превратить кривую линию в прямую, вы должны согнуть бумагу. Переход от системы отсчета кровельщика к системе отсчета зевак требует диффеоморфного преобразования. Он требует изгиба пространства-времени. Он требует гравитации.

Принцип общей ковариантности Эйнштейна требовал, чтобы для всех наблюдателей выполнялись одни и те же законы физики. Гравитация превращает кривые линии в прямые. «Мы можем воспроизвести гравитационное поле, просто изменив систему координат, – писал Эйнштейн. – Требование общей ковариантности… отнимает у пространства и времени последний остаток физической реальности».

Ньютон верил в реальность абсолютного пространства, потому что без этого ускорение ничего не значит – ускорение относительно чего? Но Эйнштейн в общей теории относительности показал, что то, что выглядит как система отсчета, двигающаяся с ускорением, с другой точки зрения может выглядеть как инерциальная система отсчета, в которой действует сила тяжести. Нет онтологической разницы между ускоренной и инерциальной системами отсчета, что, в свою очередь, означало, что не существует абсолютного пространства. То есть вам не нужно, чтобы пространство было реальным.

Это также объясняло другой любопытный факт, который, вероятно, могла бы с пеной у рта оспаривать девушка из моей группы по философии науки: предположим, два шарика падают одновременно с Пизанской башни, например шар для боулинга и мячик для пинг-понга. Предполагая, что их падение происходит в безвоздушном пространстве, можно ожидать, что они ударятся о землю точно в одно и то же время. Вы бы могли подумать, что более тяжелый их них будет падать быстрее, но это не так. Потому что, если бы более тяжелые предметы падали быстрее, чем более легкие, то вы были бы в состоянии отличить, в какой системе вы находитесь: в ускоренной системе или инерциальной системе отсчета с гравитацией.

Каким образом? Допустим, вы находитесь в кабине лифта без окон и чувствуете, что ваш вес прижимает вас к полу. Вы могли бы задаться вопросом, ускоряется ли лифт по направлению вверх, заставляя пол давить вам на ноги, или лифт находится в состоянии покоя на планете с сильным гравитационным полем. Чтобы ответить на этот вопрос, вы могли бы одновременно уронить что-то очень тяжелое и очень легкое. Если тяжелое упадет на пол первым, мы будем знать, что находимся в сильном гравитационном поле. Если тяжелое и легкое достигнут пола одновременно, мы будем знать, что лифт двигается с ускорением вверх, поскольку поднимающийся пол коснется обоих свободно парящих в пространстве предметов одновременно.

Только потому, что тела разного веса падают с одинаковой скоростью, работает принцип эквивалентности Эйнштейна: вы никогда не можете отличить ускорение от гравитации. Если бы вы могли это сделать, то «пространство» бы что-то значило. Оно было бы реальным. Но это не так.

– Специальная теория относительности доказывает, что пространство и время не реальны – они зависят от наблюдателя, – сказала я отцу. – А общая теория относительности доказывает, что сила тяжести не реальна, так как она исчезает в определенных системах отсчета. Но здесь мы подходим к самой безумной мысли – дело не ограничивается Эйнштейном. Это относится ко всем силам. Ни одно из так называемых «фундаментальных» взаимодействий не реально!

Кроме гравитации есть еще три фундаментальных взаимодействия. Электромагнетизм – наиболее знакомый из них, поскольку мы постоянно встречаемся с ним в повседневной жизни. Еще два проявляются на субатомных масштабах и поэтому нам менее известны. Сильное ядерное взаимодействие связывает кварки в протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, составляют ядро любого атома. Слабое ядерное взаимодействие превращает протоны в нейтроны, и наоборот, изменяя аромат содержащихся в них кварков, отвечает за радиоактивный распад – это из-за него Солнце светит.

Несмотря на все разговоры о гравитации как о «выбывшей из игры» в квантовую механику, все остальные взаимодействия, по существу, играют ничуть не лучше, в особенности если принять во внимание, насколько по-разному они проявляются в разных системах отсчета.

Когда речь заходит о силах в квантовой механике, приходится забыть и о пространстве, и о времени и говорить только о квантовых волновых функциях. А у волновой функции, как и у всякой волны, есть фаза, и в этом все дело.

– Допустим, имеется какая-то материальная частица, например электрон, – сказала я. – Она описывается волновой функцией, а у волновой функции есть фаза. Но фаза – это не какая-то физическая вещь. Она просто показывает, к какой стадии колебательного цикла привело волновое движение некое участвущее в нем материально тело в данной точке пространства: приближается ли колеблющаяся величина к своему максимальному значению или, напротив, находится на спаде и уже скоро достигнет минимума – в отношении какого-то из измерительных приборов. Кого-то из наблюдателей. Если ты смотришь на проходящие мимо тебя волны и делаешь шаг влево, то фаза волны по отношению к тебе меняется. Поэтому очевидно, что фаза не может быть внутренним свойством волны, ее значение зависит от системы отсчета наблюдателя. Конечно, значение имеет только разница фаз – именно она, например, определяет вид интерференционной картины в опыте с двойной щелью. Фаза сама по себе не имеет определенного смысла.

– Фаза определяет систему отсчета, – сказал отец.

– Точно! Представь себе, что волновая функция электрона заполняет собой все пространство. Конечно, ее амплитуда, вероятно, достигает максимума только в какой-то ограниченной области, но, формально говоря, она простирается бесконечно. В силу принципа неопределенности она нигде не может в точности равняться нулю. Ты следишь за этим электроном и вдруг делаешь два шага влево. Волновая функция меняет фазу. Но фаза не меняется сразу во всем пространстве, потому что это действие ограничивается только твоим световым конусом. Изменение фазы всей волновой функции сразу во всей Вселенной потребует сверхсветовой скорости. Если бы это было возможно, то оно было бы эквивалентно чему-то вроде преобразования Лоренца. Но это невозможно. В твоих силах изменить волновую функцию только в ограниченной части пространства. Так что теперь у тебя имеются две части волновой функции: у одной фаза сдвинута, а у второй – нет. Они не соответствуют друг другу, как кривая и прямая линии. Поэтому нужно ввести силу, которая компенсирует это несоответствие. Тебе нужно найти преобразование, позволяющее плавно совместить эти две части – диффеоморфное преобразование.

– То есть необходим эквивалент гравитации.

– Точно. И в случае электронов эквивалентом гравитации выступает электромагнетизм.

Электромагнетизм проявляется как калибровочная сила[24]24
  Выражение «калибровочная сила», строго говоря, не совсем точно. Правильно было бы сказать: «сила, возникающая вследствие взаимодействия, которое передается калибровочно-инвариантным полем».


[Закрыть]. Калибровка – это просто другое слово, означающее фазу. Это – точка зрения, система отсчета. Аналогично принципу общей ковариантности Эйнштейна, принцип калибровочной инвариантности требует, чтобы при любой калибровке силы были одинаковыми; не существует выделенной системы отсчета, которая была бы более истинна, чем остальные. Но локальное изменение калибровки – смещение системы отсчета – приводит к фазовому несоответствию частей волновой функции. Для того чтобы скомпенсировать этот фазовый сдвиг и сохранить все системы отсчета равноправными, вам необходима калибровочная сила.

Во многих книгах и статьях, которые я прочла, утверждалось, что силы воздействуют на частицы путем изменения фазы их волновой функции, но на самом деле все происходит наоборот: переход к другой системе отсчета создает сдвиг по фазе, который вызывает силу. Иными словами, не совпадающие между собой системы отсчета и являются силой. В случае электрона сила, возникшая из несоответствия фаз, – это электромагнетизм, а элементарное возбуждение электромагнитного поля – это фотон.

Электромагнитная сила гарантирует, что мы не перепутаем два разных описания одного электрона с двумя разными электронами, как и гравитация гарантирует, что мы не перепутаем два разных представления пространства-времени одной и той же Вселенной с двумя разными вселенными. Сильные и слабые ядерные взаимодействия – также калибровочно инвариантны. Они возникают исключительно для того, чтобы скомпенсировать сдвиг фаз волновой функции кварков, возникающий при переходе из одной системы отсчета в другую. И сходство калибровочных преобразований с диффеоморфизмом общей теории относительности не случайно: гравитация – это тоже калибровочная сила.

Я узнала о ядерных взаимодействиях давно, еще когда писала свою статью о кварк-глюонной плазме, но тогда я не оценила всей глубины теории калибровочных полей, пока меня не осенила мысль о связи между инвариантностью и реальностью. Дело в том, что калибровочные силы не являются инвариантными. Как и в случае с падающим кровельщиком, вы можете найти такую систему отсчета, в которой они исчезают. Более того, в одной-единственной системе отсчета они даже не существуют. Они появляются только тогда, когда вы сравниваете одну систему отсчета с другой. Они зависят от наблюдателя. Они не реальны.

– Они фиктивны, – взволнованно сказал отец.

– Правильно! Они не настоящие.

– Да нет, они именно фиктивные, – сказал он, наклоняясь вперед в своем кресле.

– Это что такое?

– Представь себе: ты стоишь на светофоре. Включается зеленый свет, и ты давишь на газ. Машина начинает двигаться, и ты чувствуешь силу, которая вдавливает тебя в кресло. Физики называют такие силы инерционными или фиктивными, – как центробежную силу, которая прижимает тебя к двери на крутом вираже. Эти силы не настоящие – они возникают в результате ускорения системы отсчета, о котором ты, может, и не знаешь. Но вернемся к светофору, к тому моменту, когда ты нажимаешь на газ. Давай посмотрим на это с точки зрения парня, стоящего на тротуаре: он находится в инерциальной системе отсчета, верно? Он видит, как автомобиль рванул вперед, а ты навалилась на спинку своего автомобильного кресла. Но, с его точки зрения, тут все просто объясняется: автомобиль разгоняется и вместе с собой разгоняет и тебя. Он совершенно не понимает, что тебя кто-то будто бы вдавливает в автомобильное кресло. Вместо этого спинка кресла давит на твою спину сзади. Но, находясь внутри автомобиля, ты не можешь установить, разгоняется ли автомобиль в самом деле.

– Ну, я все же вижу в окно, что он двигается все быстрее и быстрее, – возразила я.

– Но равным образом то, что ты видишь, может объясняться и тем, что все вокруг убегает от тебя все быстрее и быстрее, а ты сама остаешься на месте. А если зашторить все окна, то ты вообще можешь думать, будто не движешься совсем: ведь по отношению к тебе ничто из находящегося внутри автомобиля, включая сиденья, не движется. У тебя было бы полное право предположить, что ты находишься в состоянии покоя, и тебе показалось бы очень странным, с чего это вдруг тебя что-то внезапно вжало в кресло. Единственный способ объяснить это – предположить, что на тебя действует какая-то сила.

– Но это не настоящая сила…

– Правильно, это фиктивная сила, так как ее не существует с точки зрения инерциального парня на тротуаре. Для него нет силы, есть только ускорение автомобиля. Физики называют такие силы фиктивными, поскольку можно найти систему отсчета, в которой они отсутствуют. Но в действительности из того, что ты говоришь, следует, что все силы, даже те, о которых мы думали, что они реальные, фиктивны в не меньшей мере.

– Да, точно! Гравитация, электромагнетизм, ядерные силы… они все фиктивные. Они зависят от калибровки, а это просто другой способ сказать, что они зависят от наблюдателя. Они не инвариантны. Но ты сказал, что фиктивная сила возникает потому, что «на самом деле» испытываешь ускорение, хотя, возможно, и не знаешь этого. Но разве не в том суть теории относительности, что мы не можем утверждать, что «на самом деле» ускоряемся? Есть ли сила в инерциальной системе отсчета, или нет силы в системе отсчета, движущейся с ускорением, обе ситуации должны быть эквивалентны. Мы не можем отдать предпочтение парню на тротуаре как единственной «реальной» системе отсчета – все наблюдатели должны быть равноправны.

– Это абсолютно верно, – отец кивнул. – Концепция фиктивных сил происходит из ньютоновской физики, где инерциальный парень на тротуаре считается покоящимся в абсолютном пространстве, относительно которого ускоряется автомобиль. Эйнштейн сделал обе эти системы отсчета (парня и водителя автомобиля) эквивалентными.

– Сделав пространство и время зависимыми от наблюдателя!

Мы обсуждали этот вопрос несколько часов, пока не сказалась разница во времени и мои глаза не начали сами собой закрываться.

– Пойдем спать, девочка! – сказала я Кэссиди и направилась в мою старую спальню. Она сначала последовала за мной, но потом развернулась, побрела обратно по коридору и улеглась на пороге спальни родителей.

– Вот, значит, как? – сказала я ей и укоризненно покачала головой. – Предательница.

Лежа в ту ночь в постели, в комнате, к счастью достаточно большой, чтобы подчиняться законам классической физики, я думала об окончательной реальности. Эйнштейн как-то сказал: «Физика – это попытка концептуально постичь реальность, которая, как считается, существует независимо от наблюдателя. В этом смысле говорят о физической реальности». «Реальный» для Эйнштейна означало «независимый от наблюдателя», и единственным способом выяснить, что не зависит от наблюдателя, было сравнение всех возможных точек зрения в надежде найти те редкие ключевые свойства, которые не меняются при смене точек зрения. То, что реально, – это то, что инвариантно.

Эти философские истины каждый уже знает или, по крайней мере, инстинктивно чувствует. Если мы видим что-то настолько странное, что не верим своим глазам, и мы хотим убедиться, что мы не сошли с ума или не перебрали с алкоголем в баре, то что мы делаем? Мы обращаемся к парню, который сидит рядом с нами, и спрашиваем: «Вы это тоже видите?» Если он говорит «нет», тогда мы знаем: это никакой не инвариант и, наверное, настало время побеспокоиться о своем состоянии.

Будучи новоявленным структурным реалистом, я понимала, что должна быть осторожной, чтобы не спутать наши рассказы о физике с ее базовой математической структурой, чтобы не принять разные описания за разные материальные объекты. И теперь, имея инвариантность в качестве моего единственного критерия окончательной реальности, я поняла, что описания могут различаться при переходе от одной системы отсчета к другой. Только структура обладает возможностью оставаться инвариантной.

Ледиман был прав, повернув идею структурного реализма в онтологическое русло: структура, полностью освобожденная от бремени нашего индивидуального восприятия, была единственным жизнеспособным кандидатом на реальность. Потому что существует бесконечно много способов взглянуть на одно и то же, описать одну и ту же структуру. Это было очевидно уже из общей теории относительности. Вы могли бы прочертить изогнутую мировую линию в плоском пространстве-времени или прямую мировую линию в искривленном пространстве-времени. Вы могли бы описать космос с помощью неевклидовой геометрии, или вы могли бы придерживаться евклидовой геометрии пространства и ввести некоторые дополнительные силы. Вы могли бы обозначить и переобозначить точки пространства-времени бесконечным количеством самых разнообразных способов. И все это не привело бы к каким-либо изменениям. Базовая структура всегда остается одной и той же. Наши творческие возможности для описания реальности, наверное, безграничны. Фокус в том, чтобы узнать, что является только описанием, а что базовой структурой.

К счастью, я открыла для себя простое правило: все, что служит для сохранения калибровочной симметрии, – это просто описание. Однако просто описания могут вызвать к жизни такое физическое явление, которое покажется очень даже реальным, а то и драматическим. Простой переход от одной системы отсчета к другой может превратить пространство во время, заставить гравитацию исчезнуть или сгенерировать электромагнитное поле. Может вызвать ядерную реакцию. Может заставить Солнце светиться.

В дополнение к четырем принципиально фиктивным взаимодействиям есть еще кое-что, без чего калибровочную симметрию не сохранить: хиггсовское поле.

Все частицы обладают свойством, называемым спином, – разновидностью внутреннего вращения, которое отвечает за то, как частицы представлены в разных системах отсчета. Мне нравится иллюстрировать это свойство на примере с пляжным мячиком. Когда мячик пролетает мимо меня, я вижу рисунок то на одной стороне его поверхности, то на другой, так, словно он вращается, хотя в его собственной системе отсчета никакого вращения нет вообще. Конечно, вопрос о том «действительно» ли мяч вращается, не имеет смысла, потому что движение относительно. Наблюдатель, обходящий на 360 градусов вокруг находящегося в покое объекта, и наблюдатель, который стоит на месте, а объект поворачивается на 360 градусов – два эквивалентных описания одного и того же.