Суть пространства

Если вся материя во вселенной внезапно исчезнет, будет ли пространство существовать? Исаак Ньютон считал, что будет. С его точки зрения, пространство — это нечто похожее на симулятор голографических образов из «Звездного пути»: своеобразная трехмерная сеть, на которую проецируются все объекты вселенной. На первых страницах своей работы «Математические начала натуральной философии» Ньютон написал: «Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным».

Убедительные подтверждения этой мысли можно найти в нашей повседневной жизни. Я иду на восток, вы идете на запад, а здание почты остается на месте: система координат остается статичной. Но современник Ньютона, немецкий математик и философ Готфрид Лейбниц, не принял идею абсолютного пространства. Если убрать все те разнообразные объекты, которые вместе составляют вселенную, утверждал он, «пространство» больше не будет иметь никакого смысла. Аргументы Лейбница становятся гораздо убедительнее, если вы попадаете в космос, где вы можете отмечать только свою удаленность от солнца или других планет — объектов, которые находятся в постоянном движении относительно друг друга. По мнению Лейбница, единственный разумный вывод заключается в том, что пространство «относительно»: пространство представляет собой множество постоянно изменяющихся расстояний между вами и различными объектами (и расстояний между ними), а вовсе не «абсолютную реальность».

Напротив, ответил Ньютон. Эффекты абсолютного пространства вполне наблюдаемы. И, чтобы это доказать, сэр Исаак провел эксперимент с вращающимся ведром воды. Несмотря на свою внешнюю простоту, этот эксперимент спровоцировал начало споров о природе пространства, времени, движения, ускорения и силы, которые продолжаются до сих пор.

В своих «Математических началах натуральной философии» Ньютон предлагает нам представить себе ведро воды, подвешенное на веревке за ручку. Если поворачивать его по часовой стрелке, веревка будет закручиваться. Что произойдет, если отпустить ведро? Ведро начнет вращаться против часовой стрелки — сначала медленно, а затем быстрее. Но произойдет еще кое-что: как пишет Ньютон, поверхность воды «постепенно будет принимать вогнутую форму, опускаясь посередине и поднимаясь у края. В течение некоторого времени ведро и вода будут вращаться вместе. В конце концов вращение ведра замедлится, и оно начнет вращаться в другую сторону; вращение воды тоже замедлится, и ее поверхность снова станет гладкой.

Ученики старших классов уже знают о центробежной силе, но что заставляет воду подниматься у края ведра? По мнению Ньютона, это не может быть движение воды относительно ведра, потому что поверхность воды становится наиболее искривленной в тот момент, когда вода вращается быстрее всего, «синхронно» с ведром. Разумеется, ведро и вода вращаются относительно Земли, но это тоже не может служить объяснением, потому что такой же эксперимент, проведенный в космосе, по мнению Ньютона, покажет тот же результат.

С точки зрения Ньютона, единственный способ объяснить эксперимент с ведром — это сказать, что вода вращается относительно абсолютного пространства. Здесь возникает понятие инерции — еще одного ключевого понятия в «Математических началах натуральной философии» — то есть сопротивления тела любым изменениям в скорости или направлении его движения. Когда ведро и вода вращаются, стенки ведра мешают воде двигаться прямо в стороны, поэтому она поднимается у края ведра.
 

Но почему объекты вообще обладают инерцией? В 19 веке австрийский физик Эрнст Мах (Ernst Mach) выдвинул идею о том, что любое объяснение движения и инерции — в том числе движения воды во вращающемся ведре — можно рассматривать только относительно всей остальной материи во вселенной. С точки зрения Маха, сама Земля представляет собой более сложную и масштабную версию ведра: с момента формирования солнечной системы миллиарды лет назад Земля непрерывно вращалась, и ее экватор «выпячивался», подобно воде во вращающемся ведре. Мах задумался: если вращение Земли остановить и заставить все другие планеты и звезды вращаться вокруг нее, останется ли ее экватор выпуклым?

Ньютон сказал бы, что нет: нет вращения — нет выпячивания. Однако, с точки зрения Маха, ответ на этот вопрос зависит от того, откуда берется инерция объекта. Если она каким-то образом является следствием массы материи во вселенной, тогда планета останется выпуклой у экватора, пока другие планеты и звезды будут вращаться вокруг нее. Это картина относительности Лейбница в усиленном варианте: по мнению Маха, движение относительно, а инерция является мерой отношения между тем или иным объектом и всей остальной материей во вселенной. Если теория Маха верна, то звезды и галактики, близкие и дальние, в определенной мере обуславливают форму Земли и вогнутую поверхность воды во вращающемся ведре Ньютона. Но Мах не объяснил, каким образом эти далекие звезды и галактики влияют на Землю — и даже сегодня ответ на этот вопрос остается загадкой.

Возможно, самым внимательным читателем трудов Маха стал Альберт Эйнштейн, который позже сумел инкорпорировать то, что он назвал «принципом Маха» — идею о том, что инерция тела зависит от совокупности материи во вселенной — в свою теорию общей относительности.

Огромный успех теории Эйнштейна стал финальным ударом по ньютоновской концепции абсолютного пространства, но без этой концепции абсолютного пространства мы до сих пор не можем понять смысл эксперимента с вращающимся ведром. В своей книге «Ткань космоса» (The Fabric of the Cosmos) физик Брайан Грин (Brian Greene) пишет, что, хотя теория Эйнштейна уничтожила ньютоновскую концепцию абсолютного пространства, она дала нам нечто взамен — четырехмерную структуру, называемую пространственно-временным континуумом — и он, по мнению Грина, является абсолютным. Мы с вами можем спорить о длительности парада или о расстоянии, которое прошли его участники, но мы сойдемся во мнениях относительно общего расстояния в пространственно-временном континууме между началом и концом парада. Это довольно трудно наглядно объяснить, поскольку мы не способны видеть четыре измерения, однако уравнения в теории Эйнштейна это подтверждают.

Тем не менее, это не последнее слово Грина в этом вопросе. Сейчас физики выдвигают гипотезу, что «поле Хиггса», наделяющее частицы массой, пронизывает всю вселенную. В то время как пространственно-временной континуум Эйнштейна может служить системой координат, относительно которой можно измерять ускорение, теория поля Хиггса идет еще дальше: наделяя сопротивлением все то, что это поле пронизывает, оно может объяснить, откуда у объектов берется инерция.

Еще одну интересную теорию выдвинул Пол Дэвис (Paul Davies), физик из государственного университета Аризоны, предположивший, что «пустое» пространство на самом деле подобно кипящей пене, состоящей из субатомных частиц, которые непрерывно образуются и исчезают. С его точки зрения, эта «шалость вакуума» может служить заменой абсолютному пространству.

Прошло уже более трех столетий, а вопросы, вызванные вращающимся ведром Ньютона — касающиеся пространства и движения, массы и инерции — продолжают волновать физиков и философов. Что-то заставляет воду подниматься у краев ведра, но является ли это следствием структуры пространственно-временного континуума, поля Хиггса или некой квантовой пены, пока остается загадкой.