Релятивистская причинность и детерминизм
Напомним, что в теории относительности материальные тела не могут двигаться быстрее света — откуда, в частности, следует, что их мировые линии всегда должны лежать внутри световых конусов (см. рис. 5.29). (В общей теории относительности ситуацию следует формулировать именно в таком локальном виде. Световые конусы расположены неодинаково, поэтому не имело бы особого смысла говорить, превосходит ли скорость очень далекой частицы скорость света здесь.) Мировые линии фотонов проходят по поверхности световых конусов, но мировая линия ни одной частицы не должна лежать вне световых конусов. В действительности, должно выполняться более общее утверждение, а именно: ни одному сигналу не разрешается распространяться вне светового конуса.
Чтобы понять, почему должно быть именно так, рассмотрим снова картину пространства Минковского (рис. 5.31).
Рис. 5.31. Сигнал, который распространяется для наблюдателя W быстрее света, для наблюдается U распространяется назад по времени. Ситуация справа (б ) представляет собой ту же ситуацию, что и слева (a ), только перерисованную с точки зрения наблюдателя U . (Эту перерисовку можно рассматривать как движение Пуанкаре. Сравните с рис. 5.21 — но здесь преобразование от (a ) к (б ) следует понимать в активном , а не в пассивном смысле.)
Предположим, что сконструировано некоторое устройство, способное посылать сигнал со скоростью немного больше скорости света. Пользуясь этим устройством, наблюдатель W посылает сигнал из точки А на своей мировой линии к далекой точке В , расположенной непосредственно под световым конусом события А . На рис. 5.31a эта ситуация изображена с точки зрения наблюдателя W , но на рис. 5.31б картина нарисована уже по-другому, с точки зрения второго наблюдателя U , который быстро движется от W (из точки, например, между А и В ) — и наблюдателю U событие В кажется происходящим раньше события А ! (Такая «перерисовка» есть не что иное, как движение Пуанкаре, как описано выше, см. «Специальная теория относительности Эйнштейна и Пуанкаре») С точки зрения наблюдателя W одновременные пространства наблюдателя U представляются «наклоненными». Поэтому событие В кажется наблюдателю U происходящим раньше события А . Таким образом, для U сигнал, испущенный наблюдателем W , будет распространяться назад во времени!
|
|
|
Здесь пока еще нет явного противоречия. Но, учитывая симметричность картины с точки зрения наблюдателя U (в силу принципа специальной относительности), третий наблюдатель V , движущийся от наблюдателя U в сторону, противоположную той, в которую движется наблюдатель W , и оснащенный таким же, как и у наблюдателя W , устройством, мог бы в свою очередь послать сигнал, распространяющийся быстрее света с его (наблюдателя V ) точки зрения, в направлении, противоположном направлению сигнала, испущенного наблюдателем W . Наблюдателю U при этом будет казаться, что сигнал, испущенный наблюдателем V , тоже движется назад во времени — но в противоположном (пространственном) направлении. Действительно, наблюдатель V мог бы послать второй сигнал к наблюдателю W в момент (В ) получения исходного сигнала, пришедшего от наблюдателя W . Этот сигнал достигает наблюдателя W в тот момент, когда происходит событие С , которое (по оценке наблюдателя U ) предшествует испусканию исходного сигнала (событию А ) (рис. 5.32).
|
|
|
Рис. 5.32. Если у наблюдателя V имеется сверхсветовое сигнальное устройство, тождественное устройству, имеющемуся у W , но посылающее сигналы в противоположном направлении, то наблюдатель W может им воспользоваться для того, чтобы отправить послание в свое собственное прошлое!
Но еще хуже то, что событие С действительно происходит раньше события А (испускания исходного сигнала) на собственной мировой линии наблюдателя W , поэтому W действительно воспринимает событие С как происходящее до того, как он испускает сигнал (события А )! Сигнал, отправляемый наблюдателем V обратно наблюдателю W , мог бы, по предварительной договоренности с W , просто повторять сигнал, полученный наблюдателем W в точке В . Таким образом, W получает в более ранний момент времени на своей мировой линии тот же самый сигнал, который он сам собирается послать позднее! Разнося двух наблюдателей достаточно далеко друг от друга, можно устроить все так, что ответный сигнал будет опережать исходный на сколь угодно большое время. Возможно, наблюдатель W своим исходным сигналом сообщал о том, что он сломал ногу. Тогда ответный сигнал он мог бы получить задолго до того, как с ним произошло это печальное происшествие, и тогда (предположительно) он мог бы предпринять необходимые меры предосторожности и избежать несчастного случая!
|
|
|
Таким образом, распространение сигналов со сверхсветовыми скоростями вместе с эйнштейновским принципом относительности приводит к вопиющему противоречию с нашим нормальным пониманием «свободы воли». В действительности, ситуация еще более серьезна, чем до сих пор представлялось. Ибо мы могли бы сделать «наблюдателя W » всего лишь механическим устройством, запрограммированным так, чтобы посылать в ответ тот же сигнал, который был им получен (т. е. отвечать на «НЕТ » — «НЕТ » и на «ДА » — «ДА »). Это приводит к такому же принципиальному противоречию, как то, с которым нам уже приходилось сталкиваться прежде[132]. Причем кажется, что на этот раз оно не зависит от наличия у наблюдателя W «свободы воли». Это свидетельствует о том, что на устройство, способное испускать сверхсветовые сигналы, не стоит «делать ставку» как на физически возможное. В дальнейшем это обстоятельство еще приведет нас с вами к удивительным выводам (глава 6, «„Парадокс“ Эйнштейна, Подольского и Розена»).
|
|
|
Исходя из вышесказанного, давайте примем, что сигналы любого рода — а не только переносимые обычными физическими частицами — должны быть ограничены световыми конусами. Действительно, то, о чем мы только что говорили, опирается на идеи специальной теории относительности — но и в общей теории относительности правила СТО (локально) остаются в силе. Именно локальная выполнимость положений специальной теории относительности позволяет утверждать, что все сигналы остаются в пределах световых конусов, поэтому то же самое должно выполнятся и в общей теории относительности. Далее мы посмотрим, как это отражается на вопросах детерминизма в рамках этих теорий. Напомним, что в ньютоновской (или гамильтоновой и т. д.) схеме «детерминизм» — это возможность однозначного определения поведения системы в любой момент времени при условии, что заданы начальные условия . Если мы будем смотреть на ньютоновскую теорию с точки зрения пространства-времени, то «конкретное время», когда мы задаем эти начальные условия, будет представлено некоторым трехмерным «слоем» в четырехмерном пространстве-времени (т. е. будет всем пространством в этот момент времени). В теории относительности не существует одного глобального понятия «времени», которое можно было бы выделить для этой цели. Обычный подход предполагает гибкое отношение к этому вопросу. Годится любое «время». В специальной теории относительности вместо упоминавшегося выше «слоя» можно взять одновременное пространство какого-нибудь наблюдателя и задать на нем начальные данные. Но в общей теории относительности понятие «одновременного пространства» достаточно размыто. Вместо него можно воспользоваться более общим понятием пространственно-подобной поверхности [133]. Такая поверхность изображена на рис. 5.33; она характеризуется тем, что в каждой из своих точек она лежит целиком вне светового конуса — так, что локально она напоминает одновременное пространство.
Рис. 5.33. Пространственно-подобная поверхность для задания начальных условий в общей теории относительности
Детерминизм в СТО можно сформулировать так: начальные данные на любом заданном одновременном пространстве S определяют поведение системы во всем пространстве-времени. (В частности, это верно для теории Максвелла, которая действительно является «специально релятивистской» теорией.) Однако можно высказать и более сильное утверждение. Если мы хотим знать, что произойдет в некоторой точке Р , лежащей где-то в будущем по отношению к пространству S , то для этого нам необходимы начальные данные не на всем S , а только в некоторой ограниченной (конечной) области пространства S — потому, что «информация» не может распространяться быстрее света, так что любые точки пространства S , лежащие слишком далеко для того, чтобы световые сигналы из них могли достигать Р , не оказывают на Р никакого влияния (рис. 5.34)[134].
Рис. 5.34. В специальной теории относительности то, что происходит в точке Р, зависит только от данных, заданных в конечной области одновременного пространства. Так происходит потому, что никакое воздействие не может достичь точки Р быстрее света
Это гораздо более удовлетворительный результат по сравнению с той ситуацией, которая возникает в ньютоновском случае, где в принципе потребовалось бы иметь информацию о всем бесконечном «слое», для того, чтобы иметь возможность предсказать ближайшее будущее хотя бы для одной точки. На скорость, с которой может распространяться ньютоновская информация, не существует никаких ограничений, и действие ньютоновских сил поэтому распространяется мгновенно .
«Детерминизм» в общей теории относительности — вопрос гораздо более сложный, чем в СТО , и я ограничусь здесь лишь несколькими замечаниями. Прежде всего, для задания начальных условий нам необходимо воспользоваться пространственноподобной поверхностью S (а не просто одновременной поверхностью). Тогда оказывается, что уравнение Эйнштейна задают локально детерминистское поведение гравитационного поля в предположении (как обычно), что поля материи, дающие вклад в тензор ЭНЕРГИЯ , ведут себя детерминистским образом. Однако здесь возникают значительные осложнения. Сама геометрия пространства-времени (включая ее «причинную» структуру — расположение световых конусов) теперь становится частью того, что требуется определить. Априори расположение световых конусов нам не известно, так что мы не можем сказать, какие части поверхности S необходимы для однозначного определения поведения системы в некотором будущем событии Р . Но могут сложиться такие экстремальные ситуации, когда всех точек поверхности S для этого окажется недостаточно, и, соответственно, глобальный детерминизм будет утрачен! (Здесь затрагиваются непростые вопросы, имеющие отношение к одной важной нерешенной пока проблеме в общей теории относительности, которая известна под названием «космической цензуры» и связана с образованием черных дыр (Типлер и др. [1980]); см. главу 7, подгл. «Черные дыры») Маловероятно, чтобы любое подобное «крушение детерминизма», обусловленное «экстремальными» гравитационными полями, имело непосредственное отношение к тому, что происходит на «человеческих» масштабах — но тем не менее это недвусмысленно указывает на отсутствие ясности в вопросе о детерминизме в рамках общей теории относительности.
Вычислимость в классической физике:
Где мы находимся?
На протяжении всей этой главы я старался не упускать из виду проблему вычислимости и, проводя различие между вычислимостью и детерминизмом, стремился показать, что первая может иметь не меньшее значение, коль скоро речь заходит о «свободе воли» и умственной деятельности. Но само понятие детерминизма в рамках классической теории оказалось не настолько четко определенным, как принято было думать. Мы видели, что при изучении классического уравнения Лоренца для движения заряженной частицы возникает целый ряд тревожных вопросов. (Вспомним «убегающие решения» Дирака.) Потом было показано, что и в общей теории относительности с детерминизмом сопряжены определенные трудности. Когда в таких теориях нет детерминизма — в них заведомо нет и вычислимости. Тем не менее ни в одном из названных случаев не создается впечатление, что отказ от детерминизма может существенным образом повлиять на нашу философию. В подобных явлениях еще «нет места» для нашей свободы воли: во-первых, потому, что классическое уравнение Лоренца для точечной частицы (в том виде, как его решил Дирак) нельзя считать пригодным с физической точки зрения для использования на том уровне, где возникают эти проблемы; и, во-вторых, потому, что масштабы, на которых классическая общая теория относительности приводит к такого рода проблемам (черные дыры и т. д.), в принципе не сравнимы с масштабами нашего собственного головного мозга.
Спрашивается: что мы сейчас знаем о вычислимости в классической теории? Разумно предположить, что в общей теории относительности мы сталкиваемся с теми же проблемами, что и в СТО — если не считать тех различий в вопросах причинности и детерминизма, о которых было только что сказано. Там, где будущее поведение физической системы определяется начальными данными, оно в то же время должно (из соображений, изложенных при рассмотрении ньютоновской теории) быть вычислимо на основе тех же начальных данных[135](не считая «бесполезного» типа невычислимости, с которым столкнулись Пур-Эль и Ричардс в случае волнового уравнения, о чем уже говорилось выше; эта ситуация не реализуется при гладко изменяющихся данных). Действительно, трудно представить, каким образом в любой из рассмотренных мной до сих пор физических теорий могут возникнуть какие-либо существенные «невычислимые» элементы. Можно заведомо предсказать, что «хаотической» поведение является типичным для большинства из этих теорий, где весьма малые изменения начальных данных способны вызвать громадные расхождения в последующем поведении. (Именно так, насколько можно судить, обстоит дело в общей теории относительности; см. Мизнер [1969], Белинский и др. [1970].) Но, как я уже упоминал выше, довольно трудно понять, каким образом этот тип невычислимости (т. е. непредсказуемости) может быть «использован» в устройстве, с помощью которого мы могли бы попытаться «подчинить» себе возможные невычислимые элементы в физических законах. Если «разум» способен каким-то образом использовать невычислимые элементы, то последние должны, видимо, лежать вне классической физики. Нам придется еще раз вернуться к этому вопросу позднее — после того, как мы в общих чертах познакомимся с квантовой теорией.
Масса, материя и реальность
Произведем небольшую «ревизию» той картины мира, которую дала нам классическая физика. Во-первых, там существует пространство-время, выполняющее важнейшую функцию арены, на которой разыгрываются всевозможные физические процессы. Во-вторых, имеются физические объекты , задействованные в этих процессах, но ограниченные точными математическими законами. Физические объекты, о которых идет речь, бывают двух типов: частицы (корпускулы ) и поля . Об истинной природе и отличительных особенностях частиц сказано немного, за исключением того, что у каждой частицы имеется своя мировая линия и каждая частица обладает индивидуальной массой покоя, (возможно) электрическим зарядом и т. д. С другой стороны поля описываются очень точно: электромагнитное поле удовлетворяет уравнениям Максвелла, а гравитационное поле — уравнениям Эйнштейна.
В описании частиц мы сталкиваемся с определенной двусмысленностью. Если частицы имеют столь малые массы, что их собственным влиянием на поля можно пренебречь, то такие частицы называются пробными частицами , и их движение под действием полей задается однозначно. Выражение для силы Лоренца описывает реакцию пробных частиц на электромагнитное поле, законы движения по геодезическим линиям — на гравитационное поле (или соответствующую комбинацию в случае присутствия обоих полей). Поэтому частицы надлежит рассматривать как точечные , т. е. имеющие одномерные мировые линии. Но в тех случаях, когда влиянием частиц на поля (и, следовательно, на другие частицы) пренебрегать нельзя, т. е. когда сами частицы становятся источниками поля, их следует рассматривать как объекты с ненулевой протяженностью в пространстве. Иначе поля в непосредственной близости от каждой частицы обращаются в бесконечность. Такие протяженные источники создают распределение заряда-тока (ρ , j ), необходимое для уравнений Максвелла, и тензор ЭНЕРГИЯ , входящий в уравнения Эйнштейна. Наряду с этим пространство-время, вмещающее в себя все частицы и поля, обладает изменчивой структурой, которая сама по себе описывает гравитационные явления. «Арена» принимает участие в том самом действии, которое на ней разыгрывается!
Это то, что нам говорит классическая физика о природе физической реальности. Ясно, что хотя очень многое уже известно — не стоит пока благодушно тешить себя надеждой на то, что картины мироздания, рисующиеся нам сейчас, не будут однажды перечеркнуты с появлением более глубоких теоретических построений. В следующей главе мы увидим, что даже те революционные преобразования нашей картины, которые совершила теория относительности, бледнеют и кажутся почти незначительными по сравнению с нововведениями квантовой теории. Но мы пока не закончили изучение классической теории и далеко не исчерпали всех ее возможностей. А у нее для нас еще припасен один сюрприз!
Чем в действительности является «материя»? Это реальная субстанция, из которой состоят физические объекты — «вещи» окружающего нас мира. Это то, из чего состоим вы и я, то, из чего сделаны наши дома. Каким образом можно квантифицировать эту субстанцию, т. е. выразить ее количественно? В наших элементарных учебниках физики излагается ясный ответ, который дал на этот вопрос Ньютон. Мерой количества материи, содержащейся в объекте или в системе объектов, служит его (или их) масса . Такой ответ действительно кажется верным: другой физической величины, которая может всерьез конкурировать с массой за право называться истинной мерой всей материи, содержащейся в объекте, просто не существует. Кроме того, масса сохраняется : масса, а следовательно, и полное материальное содержимое любой системы всегда должно оставаться одним и тем же.
Однако знаменитая формула Эйнштейна из специальной теории относительности
E = mc 2
свидетельствует о способности массы (m ) превращаться в энергию (Е ) — и наоборот. Например, когда атом урана участвует в процессе распада, распадаясь на меньшие осколки, полная масса каждого из осколков (если бы их можно было привести в состояние покоя), была бы меньше исходной массы атома урана — но если учесть энергию движения , т. е. кинетическую энергию (см. гл.5, подгл. «Динамика Галилея и Ньютона»)[136] каждого осколка и пересчитать ее в терминах массы, разделив на c 2 (по формуле Е = mc 2 ), то мы обнаружим, что суммарная энергия осколков осталась неизменной . Масса действительно сохраняется, но, поскольку она отчасти состоит из энергии, после распада атома могут возникнуть сомнения, что именно масса служит мерой количества вещества в составе объекта. Энергия, по существу, зависит от скорости, с которой движется материя. Энергия движения скорого поезда весьма значительна, но если мы сидим в вагоне этого поезда, то с нашей точки зрения поезд вообще не движется. Энергия движения скорого поезда (хотя и не тепловая энергия случайных движений его отдельных частиц) была «сведена к нулю» подходящим выбором системы отсчета. В качестве поразительного примера, весьма наглядно демонстрирующего действие соотношения масса-энергия Эйнштейна, рассмотрим распад одной из разновидностей субатомных частиц — так называемого π°-мезона. Это — заведомо материальная частица, обладающая вполне определенной (положительной) массой. Через какие-нибудь 10-16 секунды π°-мезон распадается (как атом урана, но гораздо быстрее), при этом почти всегда на два фотона (рис. 5.36).
Рис. 5.36. «Массивный» π°-мезон распадается на два безмассовых фотона. Пространственно-временна́я картина показывает, как сохраняется 4-вектор энергии-импульса: 4-вектор π°-мезона есть сумма 4-векторов двух фотонов, получаемая по правилу параллелограмма (на рисунке этот параллелограмм покрыт точками)
Для наблюдателя, покоящегося относительно π°-мезона, каждый фотон уносит половину энергии и, в действительности, половину массы π°-мезона. Однако, «масса» фотона носит несколько призрачный характер, ибо это — чистая энергия . Если бы мы получили возможность быстро двигаться в направлении одного из фотонов, то смогли бы уменьшить его массу до сколь угодно малой величины — поскольку собственная масса (или масса покоя — с этим понятием мы вскоре познакомимся) фотона равна нулю . Все сказанное вместе образует непротиворечивую картину сохраняющейся массы, но эта картина сильно отличается о той, которой мы располагали раньше. Масса может, как и прежде, служить в некотором смысле мерой «количества материи» — но наша точка зрения теперь кардинально изменилась: так как масса эквивалентна энергии, то масса системы, как и ее энергия, зависит от движения наблюдателя!
Сейчас нам стоит более четко сформулировать ту точку зрения, к которой мы в итоге пришли. Сохраняющаяся величина, которая исполняет роль массы — это единый объект, известный как четырехвектор энергии-импульса (или, в другой форме записи, 4-вектор энергии-импульса ). Его можно условно изобразить в виде стрелки (вектора), исходящей из начала О пространства Минковского и направленной внутрь светового конуса будущего точки О (или, если речь идет о фотоне, — лежащей на поверхности этого конуса, см. рис. 5.35).
Рис. 5.35. 4-вектор энергии-импульса
Эта стрела, направленная в ту же сторону, что и мировая линия объекта, содержит всю информацию о его энергии, массе и импульсе. Таким образом, «t -значение» (или «высота») конца стрелки, измеренная в системе отсчета наблюдателя, описывает массу (или энергию, деленную на с 2 ) объекта, а пространственные компоненты задают импульс (деленный на с ).
«Длина» этой стрелки в смысле Минковского — это важная величина, известная как масса покоя . Она описывает массу объекта в системе отсчета наблюдателя, покоящегося относительно этого объекта. Можно было бы рассматривать такую величину в качестве хорошей меры «количества материи», входящей в состав указанного объекта. Но подобная величина не аддитивна: если систему разделить на две, то исходная масса покоя не равна сумме масс покоя возникших в результате деления частей. Напомним рассмотренный выше распад π°-мезона. π°-мезон имеет положительную массу покоя, тогда как масса покоя каждого из возникших в результате распада фотонов равна нулю. Но свойство аддитивности выполняется для всей стрелки (четырехвектора), по отношению к которой мы должны выполнять «сложение» векторного типа, как показано на рис. 5.36. Именно вся стрелка служит мерой «количества материи»!
Обратимся теперь к электромагнитному полю Максвелла. Мы уже отмечали, что оно переносит энергию. Значит, по соотношению Е = mc 2 электромагнитное поле должно тоже иметь массу. Таким образом, и поле Максвелла представляет собой материю! И с этим утверждением теперь придется согласится, коль скоро поле Максвелла тесно связано с силами, удерживающими частицы вместе. Электромагнитные поля внутри любого тела должны вносить существенный вклад[137] в его массу.
А как обстоит дело с гравитационным полем Эйнштейна? Во многих отношениях оно напоминает поле Максвелла. Подобно тому, как в теории Максвелла заряженные тела, двигаясь, могут испускать электромагнитные волны , массивные движущиеся тела тоже могут (согласно теории Эйнштейна) порождать гравитационные волны (см. выше «Релятивистская причинность и детерминизм»), которые, как и электромагнитные волны, распространяются со скоростью света, перенося при этом энергию. Однако эта энергия не поддается измерению стандартным способом, т. е. не может быть определена тензором ЭНЕРГИЯ , о котором говорилось выше. Для (чисто) гравитационной волны этот тензор всюду равен нулю ! Можно было бы принять точку зрения, согласно которой кривизна пространства-времени (не полностью задаваемая тензором ВЕЙЛЬ ) может каким-то образом представлять «количество материи», заключенной в гравитационных волнах. Но оказывается, что гравитационная энергия нелокальна : изучая кривизну пространства-времени только в ограниченных областях, невозможно определить, какова мера гравитационной энергии. Энергия, а следовательно, и масса гравитационного поля ведут себя подобно скользкому угрю, так что их невозможно «привязать» в каком-нибудь четко определенному месту. Тем не менее, к гравитационной энергии следует относиться со всей серьезностью. Она заведомо присутствует, и ее необходимо учитывать для того, чтобы сохранить смысл понятия массы. Существует хорошая (и положительная) мера массы (Бонди [1960] и Сакс [1962]), которая применима к гравитационным волнам — но нелокальность такова, что, как оказывается, эта мера может иногда становиться ненулевой в плоских областях пространства-времени, расположенных между двумя всплесками излучения (совсем как «глаз» урагана), где пространство-время на самом деле полностью лишено кривизны (см. Пенроуз, Риндлер [1986]) (и где, следовательно, оба тензора — ВЕЙЛЬ и РИЧЧИ — равны нулю)! В таких случаях мы, по-видимому, вынуждены придти к заключению, что если эта масса-энергия вообще должна быть локализована, то она с необходимостью должна быть сосредоточена в этом плоском пустом пространстве — области, совершенно свободной от материи или полей любого рода. При таких любопытных обстоятельствах наше «количество материи» либо локализовано там , в самых пустых областях пустого пространства — либо ее вообще нигде нет!
Такое заключение кажется чистейшим парадоксом. Но мы знаем, что этот вывод непосредственно вытекает из тех сведений о природе «реальной» материи нашего мира, которые дают наши лучшие классические теории (а это действительно превосходные теории!). Согласно классической теории — не говоря уже о квантовой, к изучению которой мы скоро приступим — материальная реальность оказывается субстанцией гораздо более расплывчатой, чем казалось прежде. Задача ее количественного измерения — и даже само ее существование — связана только локально! Если такая нелокальность с необходимостью учета чрезвычайно тон — кажется вам загадочной — приготовьтесь к еще более сильным потрясениям!
Глава 6
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 401; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!