Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Если поразмыслить об изложенной выше теории, в ней можно обнаружить нечто парадоксальное. В конце концов, если мы пробурим отверстие в Земле и доберемся до ее центра, мы больше не будем чувствовать силу тяготения, поскольку она будет действовать на нас с одинаковой силой со всех сторон, – мы будем ощущать невесомость. Однако воздействие на течение времени обусловлено не силой тяготения в центре Земли, которая равна нулю, а скорее существующим там гравитационным потенциалом. Это количество энергии, которое необходимо для того, чтобы вытянуть тело из этой точки в то место, где сила земного притяжения отсутствует. Физик сказал бы, что ядро Земли – это самая глубокая часть потенциального колодца Земли, где наиболее явно сказывается замедление течения времени.

С помощью измерений можно найти разницу в скорости течения времени даже на высоте нескольких метров. Часы, которые висят на втором этаже нашего дома, находятся под воздействием более слабой силы тяготения, чем часы на первом этаже (первые дальше от земного ядра), и будут идти с еле заметным ускорением. Но этот эффект ничтожен: за один миллион лет они уйдут вперед всего на секунду.

Если вы относитесь к этой информации скептически, позвольте вас заверить, что количественный эффект силы тяготения на время абсолютно реален; если бы мы не учитывали его в телекоммуникационной практике, мобильник в вашем кармане не мог бы с такой точностью определять ваше местоположение. Последнее зависит от сигналов, которые ваш телефон принимает от спутника GPS на орбите и посылает обратно. То время, которое уходит у электромагнитных волн на преодоление этого расстояния, должно определяться с точностью до нескольких сотых долей миллисекунды (и тогда ваше местоположение будет определяться с точностью до нескольких метров). Однако этот принцип не сработает, если мы будем считать, что время везде течет с одинаковой скоростью. На самом деле даже высокоточные атомные часы на борту спутников каждый день убегают вперед примерно на одну сорокамиллионную долю секунды, и их приходится специально замедлять, чтобы показания соответствовали более медленно идущим земным часам. Без этого спутниковые часы забегали бы вперед и ваше местоположение согласно GPS каждый день смещалось бы километров на десять, в результате чего такая информация оказалась бы бесполезной.

Примечательно также, что те самые уравнения общей теории относительности, которые объясняют, как сила тяготения вызывает мельчайшие изменения в скорости тиканья часов, могут еще и рассказать нам о явлениях крупнейшего масштаба, рисуя историю Вселенной на протяжении миллиардов лет, с самого Большого взрыва, а могут даже помочь предсказать ее будущее. Эйнштейновская теория относительности одинаково справедлива и для самых маленьких, и для самых больших временных периодов.

Однако у этой универсальности есть свои границы. Мы знаем, что в области самых мелких размерных и временных масштабов физика обычного мира (и по Ньютону, и по Эйнштейну) перестает работать; вместо нее приходится пользоваться теорией квантовой механики. Как я объясню дальше, по сути, само понятие времени в квантовой теории разительно отличается от понятия, используемого в общей теории относительности. И это одна из многих проблем, которые возникают перед физиками, когда они пытаются свести теорию относительности и квантовую механику в единое целое, теорию квантового тяготения.

Симметрия

Универсальность законов природы имеет интереснейшее математическое обоснование и связано с одной из самых мощных научных идей – с идеей симметрии.

На простейшем уровне все понимают, что значит, если какая-то геометрическая фигура является симметричной, например квадрат. Если вы проведете вертикальную линию через его центр, разделив его надвое (или сделаете то же с помощью горизонтальной или диагональной линии), а потом поменяете обе части местами, вы не измените форму начальной фигуры. Тот же эффект достигается, если квадрат поворачивать на число градусов, кратное 90. Круг даже еще более симметричен, потому что его можно поворачивать на любое число градусов – и его внешний вид останется неизменным.

В физике симметрия может значить нечто гораздо большее, чем просто инвариантность определенной формы при повороте или перевороте объекта. Когда физики говорят о том, что какая-то физическая система обладает симметрией, они имеют в виду, что какое-то свойство этой системы остается неизменным при всяких прочих изменениях. Эта мысль, как выясняется, обладает колоссальным потенциалом. «Глобальные» виды симметрии наблюдаются, когда законы физики остаются неизменными (неизменен способ, с помощью которого они описывают какой-то параметр Вселенной), а все остальные области в одинаковой степени изменяются, или трансформируются.