Вы скажете, что Земля определенно должна занять правильное положение для затмения в следующем июне (1927 г.); поэтому она не может быть свободна двигаться куда угодно. Я могу это исправить. Я придерживаюсь того, что Земля движется куда угодно. Следующее, что нужно сделать, — это выяснить, куда ей было угодно отправиться. Важный вопрос для нас не в том, где Земля оказалась в непостижимом абсолюте за явлениями, а в том, где мы локализуем ее в нашем условном фоне пространства и времени.
Рис. 6
Мы должны произвести измерения ее положения, например, измерения ее расстояния от Солнца. На рис. 6 A показывает гребень в мире, который мы распознаем как Солнце; я нарисовал гребень Земли в двух экземплярах, потому что представляю его все еще не решившим, какую траекторию выбрать. Если она выбирает A', мы укладываем наши измерительные линейки в ряд вдоль гребней и через долину от A до A', подсчитываем количество и сообщаем результат как расстояние Земли от Солнца. Измерительные линейки, вы помните, регулируют свою длину пропорционально радиусу кривизны мира. Кривизна вдоль этого контура довольно велика, а радиус кривизны мал. Линейки поэтому малы, и их будет больше в A', чем картина заставила бы вас ожидать. Если Земля решает отправиться в A'', кривизна менее резкая; больший радиус кривизны подразумевает большую длину линеек. Количество, необходимое для того, чтобы протянуться от A до A'', не будет таким большим, как предполагает диаграмма на первый взгляд; оно не будет увеличено ни в какой мере пропорционально отношению A' к A'' на рисунке. Мы не должны удивляться, если число окажется одинаковым в обоих случаях. Если так, геодезист сообщит то же самое расстояние Земли от Солнца, независимо от того, является ли траектория A' или A''. А суперинтендант Морского альманаха, который опубликовал это же расстояние за несколько лет до этого, будет утверждать, что он правильно предсказал, куда отправится Земля.
И так вы видите, что Земля может прогуливать в любой степени, но наши измерения все равно сообщат о ней в месте, назначенном Морским альманахом. Предсказания этого авторитета не обращают внимания на причуды богоподобной Земли; они основаны на том, что произойдет, когда мы придем измерять путь, который она выбрала. Мы будем измерять его линейками, которые приспосабливаются к кривизне мира. Математическим выражением этого факта является закон тяготения, используемый в предсказаниях.
Возможно, вы возразите, что астрономы на практике не укладывают измерительные линейки в ряд через межпланетное пространство, чтобы выяснить, где находятся планеты. На самом деле положение выводится из световых лучей. Но свет по мере своего продвижения должен выяснить, какой курс выбрать, чтобы идти «прямо», почти так же, как метровая линейка должна выяснить, насколько удлиниться. Метрика или кривизна — это указатель для света, так же как это калибр для линейки. Траектория света на самом деле контролируется кривизной таким образом, что она неспособна разоблачить фиктивный закон кривизны. И поэтому, где бы ни оказались Солнце, Луна и Земля, свет их не выдаст. Если закон кривизны предсказывает затмение, свет выберет такую траекторию, что затмение произойдет. Закон тяготения — это не суровый правитель, контролирующий небесные тела; это добросердечный сообщник, который покрывает их проступки.
Я не рекомендую вам пытаться проверить по рис. 6, что количество линеек в A' (сплошная линия) и A'' (пунктирная линия) одинаково. На рисунке опущены два измерения пространства-времени, помимо дополнительных измерений, в которых пространство-время должно предполагаться изогнутым; более того, именно сферическая, а не цилиндрическая кривизна является калибром для длины. Это могла бы быть поучительная, хотя и очень трудоемкая задача — произвести эту прямую проверку, но мы заранее знаем, что измеренное расстояние Земли от Солнца должно быть одинаковым для любой траектории. Закон тяготения, выраженный математически через G=0, означает не что иное, как то, что единица длины везде является постоянной долей направленного радиуса мира в этой точке. И поскольку астроном, предсказывающий будущее положение Земли, не предполагает ничего большего о том, что Земля решит сделать, чем выражено в законе G=0, так и мы найдем то же самое положение Земли, если не предположим ничего большего, чем то, что практическая единица длины, участвующая в измерениях положения, является постоянной долей направленного радиуса. Нам не нужно решать, должна ли траектория быть представлена как A' или A'', и это не дало бы никакой информации о каких-либо наблюдаемых явлениях, если бы мы знали представление.
В других местах мне придется подчеркнуть, что все наше физическое знание основано на измерениях и что физический мир состоит, так сказать, из групп измерений, покоящихся на призрачном фоне, который лежит за пределами физики. Поэтому, допуская существование мира отдельно от измерений, которые мы производим, я вторгался за пределы того, что мы называем физической реальностью. Я не стал бы возражать против мнения, что нечто причудливое, которое по самой своей природе не может быть измерено, не имеет права на физическое существование. Никто не знает, что имеется в виду под такой причудой. Я сказал, что Земля может двигаться куда угодно, но не обеспечил «куда» для этого выбора; поскольку наше представление о «где» основано на пространственных измерениях, которые на той стадии были исключены. Но я не думаю, что был нелогичен. Я настаиваю на том, что, что бы она ни делала, Земля не может сойти с пути, проложенного для нее законом тяготения. Чтобы показать это, я должен предположить, что Земля предприняла попытку и подобралась ближе к Солнцу; затем я показываю, что наши измерения молчаливо сговариваются, чтобы вернуть ее на надлежащую орбиту. В конце концов я вынужден признать, что Земля никогда не покидала свою надлежащую орбиту; я не возражаю против этого, потому что тем временем я доказал свою точку зрения. Тот факт, что для Земли проложен предсказуемый путь через пространство и время, не является подлинным ограничением ее поведения, а навязан формальной схемой, в которой мы составляем отчет о ее поведении.
Непустое пространство. Закон о том, что направленный радиус постоянен, не применяется к пространству, которое не является полностью пустым. Больше нет причин ожидать, что он будет соблюдаться. Утверждение о том, что область не является пустой, означает, что она обладает другими характеристиками, помимо метрики, и тогда метровая линейка может найти другие величины, помимо кривизны, для измерения по отношению к ним. Ссылаясь на более раннее (достаточно приближенное) выражение закона, десять главных коэффициентов кривизны равны нулю в пустом пространстве, но имеют ненулевые значения в непустом пространстве. Поэтому естественно использовать эти коэффициенты в качестве меры наполненности пространства.
Один из коэффициентов соответствует массе (или энергии), и в большинстве практических случаев он превосходит остальные по важности. Старое определение массы как «количества материи» связывает ее с наполненностью пространства. Три других коэффициента составляют импульс — направленную величину с тремя независимыми компонентами. Оставшиеся шесть коэффициентов главной кривизны составляют систему напряжений или давлений. Таким образом, масса, импульс и напряжение представляют собой непустоту области в той мере, в какой она способна нарушить работу обычного измерительного аппарата, с помощью которого мы исследуем пространство — часов, весов, световых лучей и т. д. Следует, однако, добавить, что это лишь краткое описание, а не полный отчет о непустоте, поскольку у нас есть и другие исследовательские аппараты — магниты, электроскопы и т. д., — которые предоставляют дополнительные детали. Обычно считается, что, используя их, мы исследуем не пространство, а поле в пространстве. Созданное таким образом различие является довольно искусственным и вряд ли будет принято навсегда. По-видимому, результаты исследования мира с помощью измерительной линейки и магнитного компаса должны быть объединены в единое описание, точно так же, как мы объединили результаты исследования с помощью линейки и часов. В этом направлении был достигнут некоторый прогресс. Однако существует реальная причина для допущения частично раздельного рассмотрения: один способ исследования определяет симметричные свойства, а другой — антисимметричные свойства лежащей в основе структуры мира.
Часто высказывались возражения, особенно со стороны философов, против грубости исходных требований Эйнштейна, а именно часов и измерительной линейки. Но совокупность экспериментальных знаний о мире, которую теория Эйнштейна стремится привести в порядок, не пришла к нам как ниспосланное свыше вдохновение; это результат исследования, в котором часы и линейка действительно сыграли ведущую роль. Они могут показаться очень грубыми инструментами тем, кто привык к концепциям атомов и электронов, но именно такие грубые знания мы обсуждали в главах, посвященных теории Эйнштейна. По мере развития теории относительности обычно считается желательным заменить часы и линейку движущейся частицей и световым лучом в качестве основных измерительных приборов; это пробные тела более простой структуры. Но они все еще грубы по сравнению с атомными явлениями. Световой луч, например, неприменим для измерений, настолько уточненных, что необходимо учитывать дифракцию света. Наше знание внешнего мира не может быть отделено от природы приборов, с помощью которых мы получили это знание. Истинность закона тяготения не может рассматриваться в отрыве от экспериментальной процедуры, с помощью которой мы установили его истинность.
Концепция систем отсчета пространства и времени, а также непустоты мира, описываемой как энергия, импульс и т. д., неразрывно связана с исследованием с помощью грубых приборов. Когда они больше не могут быть поддержаны таким исследованием, концепции растворяются в бессмысленности. В частности, внутреннее пространство атома невозможно исследовать с помощью грубого измерения. Мы не можем поместить часы или линейку внутрь атома. Нельзя слишком сильно настаивать на том, что термины расстояние, период времени, масса, энергия, импульс и т. д. не могут использоваться в описании атома с теми же значениями, которые они имеют в нашем грубом опыте. Физик-атомщик, использующий эти термины, должен найти для них свои собственные значения — должен указать приборы, которые он запрашивает, когда предполагает, что они измеряются. Иногда предполагается, что (в дополнение к электрическим силам) существует минутное гравитационное притяжение между атомным ядром и спутниками-электронами, подчиняющееся тому же закону, что и гравитация между Солнцем и его планетами. Это предположение кажется мне фантастическим; но невозможно обсуждать его без какого-либо указания на то, как, по-видимому, была измерена область внутри атома. Помимо такого измерения, электрон движется как ему угодно, «подобно блаженным богам».
Мы достигли точки, представляющей большой научный и философский интерес. Десять главных коэффициентов кривизны мира не являются для нас чужими; они уже знакомы в научных дискуссиях под другими именами (энергия, импульс, напряжение). Это сравнимо со знаменитым поворотным моментом в развитии электромагнитной теории. Прогресс в этой области привел к рассмотрению волн электрической и магнитной силы, распространяющихся через эфир; затем Максвелла осенило, что эти волны не являются чужими, а уже знакомы нам по опыту под названием «свет». Метод идентификации тот же. Вычислено, что электромагнитные волны будут обладать именно теми свойствами, которыми, как наблюдается, обладает свет; так же вычислено, что десять коэффициентов кривизны обладают именно теми свойствами, которыми, как наблюдается, обладают энергия, импульс и напряжение. Мы ссылаемся здесь только на физические свойства. Ни одна физическая теория не должна объяснять, почему в нашем сознании существует особый вид образа, связанный со светом, и почему в нашем сознании возникла концепция субстанции в связи с теми частями мира, которые содержат массу.
Это ведет к значительному упрощению, поскольку тождество заменяет причинность. В ньютоновской теории ни одно объяснение гравитации не считалось бы полным, если бы оно не описывало механизм, с помощью которого кусок материи захватывает окружающую среду и делает ее носителем гравитационного влияния, излучаемого материей. В настоящей теории ничего подобного не требуется. Мы не спрашиваем, как масса захватывает пространство-время и вызывает кривизну, которую постулирует наша теория. Это было бы так же излишне, как спрашивать, как свет захватывает электромагнитную среду, чтобы заставить ее колебаться. Свет и есть колебание; масса и есть кривизна. Массе не следует приписывать никакого причинного эффекта; тем более его нельзя приписывать материи. Концепция материи, которую мы связываем с этими областями необычного искажения, — это памятник, воздвигнутый разумом, чтобы отметить место конфликта. Когда вы посещаете место битвы, спрашиваете ли вы когда-нибудь, как памятник, который ее увековечивает, мог стать причиной стольких жертв?
Философский результат этой идентификации будет значительно занимать нас в последующих главах. Прежде чем оставить тему гравитации, я хочу немного сказать о значении кривизны пространства и неевклидовой геометрии.
Неевклидова геометрия. Я призывал вас думать о пространстве-времени как о искривленном; но я был осторожен, говоря об этом как о картине, а не как о гипотезе. Это графическое представление вещей, о которых мы говорим, которое дает нам понимание и руководство. То, что мы извлекаем из этой картины, можно выразить более уклончиво, сказав, что пространство-время обладает неевклидовой геометрией. Термины «искривленное пространство» и «неевклидово пространство» используются практически как синонимы; но они предполагают довольно разные точки зрения. Когда мы пытались представить конечное и безграничное пространство (стр. 81), трудным шагом было избавление от внутреннего и внешнего пространства гиперсферы. Существует похожий шаг при переходе от искривленного пространства к неевклидову — отбрасывание всех отношений к внешним (и воображаемым) лесам и удержание тех отношений, которые существуют внутри самого пространства.
Если вы спросите, каково расстояние от Глазго до Нью-Йорка, возможны два ответа. Один человек скажет вам расстояние, измеренное по поверхности океана; другой вспомнит, что есть еще более короткое расстояние через туннель сквозь Землю. Второй человек использует измерение, которое первый выбросил из головы. Но если два человека не согласны относительно расстояний, они не согласятся относительно геометрии; ибо геометрия рассматривает законы расстояний. Забыть или не знать об измерении — значит попасть в другую геометрию. Расстояния для второго человека подчиняются евклидовой геометрии трех измерений; расстояния для первого человека подчиняются неевклидовой геометрии двух измерений. И поэтому, если вы сосредоточите свое внимание на поверхности Земли так сильно, что забудете, что у нее есть внутреннее или внешнее пространство, вы скажете, что это двумерное многообразие с неевклидовой геометрией; но если вы вспомните, что вокруг есть трехмерное пространство, которое предоставляет более короткие пути для перемещения из точки в точку, вы сможете вернуться к Евклиду. Тогда вы «объясните» неевклидову геометрию, сказав, что то, что вы сначала приняли за расстояния, не было правильными расстояниями. Это кажется самым простым способом увидеть, как может возникнуть неевклидова геометрия — через потерю измерения, — но мы не должны делать вывод, что неевклидова геометрия невозможна, если она не возникает по этой причине.
В нашем четырехмерном мире, пронизанном гравитацией, расстояния подчиняются неевклидовой геометрии. Происходит ли это потому, что мы сосредоточили внимание полностью на его четырех измерениях и упустили короткие пути через области за его пределами? С помощью шести дополнительных измерений мы можем вернуться к евклидовой геометрии; в этом случае наши обычные расстояния от точки до точки в мире не являются «истинными» расстояниями, последние выбирают более короткие маршруты через восьмое или девятое измерение. Искривление мира в супермире десяти измерений, чтобы обеспечить эти короткие пути, я думаю, помогает нам сформировать представление о свойствах его неевклидовой геометрии; во всяком случае, эта картина предлагает полезный словарь для описания этих свойств. Но мы вряд ли примем эти дополнительные измерения как буквальный факт, если только не будем рассматривать неевклидову геометрию как вещь, которую любой ценой нужно объяснить.
Из двух альтернатив — искривленное многообразие в евклидовом пространстве десяти измерений или многообразие с неевклидовой геометрией и без дополнительных измерений — что верно? Я предпочел бы не пытаться дать прямой ответ, потому что боюсь, что заблужусь в тумане метафизики. Но я могу сразу сказать, что не воспринимаю десять измерений всерьез; тогда как я очень серьезно отношусь к неевклидовой геометрии мира и не считаю ее вещью, которую нужно объяснять. Взгляд, которому некоторых из нас учили в школе, что истинность аксиом Евклида может быть понята интуитивно, в наши дни повсеместно отвергается. Мы не можем установить законы пространства с помощью интуиции, так же как не можем установить законы наследственности. Если интуиция исключена, призыв должен быть к эксперименту — подлинному непредвзятому эксперименту, не скованному никакими предубеждениями относительно того, каким должен быть вердикт. Мы не должны впоследствии отказываться от экспериментов, потому что они показывают, что пространство очень незначительно неевклидово. Совершенно верно, что выход можно было бы найти. Изобретая дополнительные измерения, мы можем сделать неевклидову геометрию мира зависимой от евклидовой геометрии десяти измерений; если бы мир оказался евклидовым, мы могли бы, я полагаю, сделать его геометрию зависимой от неевклидовой геометрии десяти измерений. Никто не стал бы воспринимать последнее предложение всерьез, и нет причин воспринимать первое более серьезно.