Рассмотрим скорость стрелы. Если стрела преодолевает расстояние 100 метров за одну секунду, мы можем сказать, что она движется со средней скоростью 100 метров в секунду (м/сек). Однако если приглядеться повнимательнее, то обнаруживается, что во время второй половины движения стрела летит медленнее и пролетает меньшее расстояние, поскольку трение о воздух в процессе движения замедляет ее. Возможно, она пролетает 55 метров в первую половину секунды и 45 во вторую. Возможно, в интервале между 0,1 секунды и 0,2 секунды своего полета, то есть за 0,1 секунды, стрела пролетит 12 метров, следовательно, скорость ее в этом интервале времени составит 12 метров / 0,1 секунды = 120 м/сек.
Зависимость истекшего времени от расстояния, которое пролетела стрела Зенона-Муненори.
Во многом физика в знакомом нам виде родилась тогда, когда Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц разработали математический аппарат, позволивший довести эту проблему до логического завершения. Чтобы проиллюстрировать их интерпретацию движения, отложим на рисунке выше положение стрелы (в данном случае ее расстояние от выпускающего стрелу Муненори) в последовательные моменты времени. Ваш глаз измеряет эти положения, а время отсчитывается в вашем сознании, но все это делается очень приблизительно. Мы можем вообразить, что делаем измерения с гораздо большей точностью, — например, с помощью лазерной рулетки и атомных часов. В любом случае, сделав счетное число измерений, мы можем нарисовать гладкую кривую, которая точно описывает движение стрелы. Используя эту кривую, мы можем оценить, какие расстояния стрела пролетает за все более короткие интервалы времени.
Эта основная идея была понятна уже Аристотелю, но Ньютон и Лейбниц сделали решающий шаг и поняли, что случится, если интервал [Греческой буквой Δ («дельта») часто обозначают разность между двумя вели чинами. Таким образом, «Δt» — сокращенное обозначение выражения «изменение величины t».] Δt приближается к нулю, то есть к интервалу, о котором говорится в парадоксе Зенона. Они смогли показать, что, как и следовало ожидать, в течение этого бесконечно малого интервала времени приращение расстояния Δd стремится к нулю так же, как и Δt. Однако оказалось, что можно совершенно строго и математически точно доказать, что отношение Δd / Δt — скорость — стремится к определенному ненулевому значению. Этот математический метод, который составляет основу дифференциального исчисления, разрешает парадокс Зенона. Из него следует, что нельзя устремлять длительность интервала времени к нулю, не устремляя в то же самое время к нулю расстояние, преодолеваемое за это время, и если вы сделаете все правильно, скорость стрелы никогда не окажется равной нулю. Неважно, насколько короток интервал: стрела никогда не останавливается. Нет такого понятия как интервал времени, в течение которого стрела совсем не движется, — следовательно, исчезает как исходная предпосылка парадокса Зенона, так и необходимость обдумывать концепцию «атомов времени».
Парадокс объяснен? Возможно. Этот метод рассмотрения движения работает очень хорошо, и мы могли бы, если б захотели, просто оставить все как есть. Но физика — как и мир, который она описывает, — материя глубокая и тонкая, с секретными тропинками и потайными комнатами, так что нужно только толкнуть правильную дверь. Поэтому давайте зададимся несколькими вопросами о движении стрелы к своей цели по кривой траектории, описание которого кажется таким ясным.
Почему она летит именно по этой, а не по какой-либо другой траектории? Эта же стрела, если ее в одних и тех же условиях с одинаковым усилием выпускать опять и опять, полетит по той же самой траектории. Почему? И что именно выделяет именно эту траекторию из всех возможных траекторий, по которым она может лететь? (Способны ли вы вообразить, что стрела в действительности будет лететь по разным траекториям, образующим при усреднении одну прямую траекторию, которая только кажется изогнутой?)
Как в определенный момент времени стрела «узнает», по какой траектории нужно лететь? В этот момент она находится в определенном положении, но ее скорость зависит от того, где она была в предыдущий момент. Может стрела «помнить», где она была? Или ее скорость является присущим ей свойством — таким, например, как цвет? Почему стрела обладает инерцией, которая поддерживает ее движение в направлении ее скорости, но меняет направление так, чтобы следовать по предназначенной ей траектории?
Что случится, если мы попытаемся точно просчитать скорость стрелы в определенный момент времени, измерив пройденное ею расстояние Δd за бесконечно малый интервал времени Δt? В реальных условиях точные измерения провести невозможно, так что мы никогда не измерим точно ни Δd, ни даже Δt, и когда Δt приближается к нулю, скорость Δd/Δt становится совершенно неопределенной. Что мы будем с этим делать? Имеет ли вообще смысл воображать себе сколь угодно малые интервалы времени, если мы ничего не можем узнать о движении, происходящем в течение этих интервалов? Что вообще значит измерение скорости объекта? (Поверите ли вы в то, что так же как скорость объекта формируется из его различных положений, так и положение объекта, в свою очередь, формируется различными скоростями?)
Какой момент отвечает моменту «сейчас» на кривой, изображающей полет стрелы (гладкой кривой на рис. на стр. 27)? Не бойтесь, укажите на любой, который вам нравится, и ни одна физическая теория не оспорит и даже не прокомментирует это утверждение. На самом деле в физике для этого понятия нет места, оно вообще не играет никакой роли. Но все же вы момент «сейчас» чувствуете мгновенно. Попробуйте, если вам захочется, вместо этого ощутить будущее или прошлое. Не сможете, правда ведь? (Или сможете?) Как же так получается, что важнейшее свойство нашего личного опыта не находит отражения в физике?
Стрела состоит из неисчислимого количества связанных друг с другом атомов, которые все вместе участвуют в процессе, называемом нами «полет стрелы». Из чего сделаны атомы? Вы можете ответить: «Из кварков и электронов» или «Из суперструн». Но как бы ни назывались мельчайшие частицы, я утверждаю, что современная физика считает, что они, в свою очередь, состоят из информации. Значит, и стрела сделана из информации? Да! Но информации о чем? Известной кому или чему? И как информацию можно вставить в лук, оттянуть с тетивой назад и отпустить? И как она может пролететь по воздуху и поразить ваше сердце?
Эти вопросы можно задать очень быстро, всего за несколько сотен биений сердца. А вот для того, чтобы полностью осознать их, не говоря уж о том, чтобы дать на них ответы, времени потребуется куда больше. Так что тронемся в путь. Стрела приближается.
2. Отплытие
(Венеция, 1610 год)
......Шестьсот миллионов биений сердца назад [1 биение сердца = 1 сек. 1 год = примерно 3,1525 X 107 сек. 600 млн сек. — это примерно 20 лет. 1630-20 = 1610. — Прим. научного редактора.]…
Над портом навис густой туман, отплытие откладывалось, и это, казалось, длилось бесконечно. Отважиться на такое безумное путешествие было непросто, но решение уже принято и тебе не терпится поскорее отправиться в путь. Ты уныло смотришь вокруг, разглядывая другие суденышки, выплывающие из тумана и растворяющиеся в нем.
Когда соседний корабль скользит мимо тебя к причалу, твое сердце замирает — тебе на мгновение кажется, что твой корабль наконец-то отплывает. Поражаясь своему нетерпению, ты понимаешь, что ошибся. Да когда же начнется это долгожданное путешествие?!
Но вот ты и в самом деле уже на пути к исламским империям и легендарным восточным королевствам, расположенным к востоку от них. Ночью ты очнулся от сна и ощутил, что в каюте как-то слишком тихо. Может, ветер утих? Или ты утонул и находишься на том свете? Не в силах уснуть от предвкушения приключений, ты поднимаешься на палубу и к своему удивлению видишь, что корабль плавно, но быстро движется по спокойной морской глади, подгоняемый легким ветерком.
Ты поражен: как это тебя угораздило спутать корабль, мчащийся под парусом, с кораблем, стоящим на якоре? Значит, ты не сумел отличить движение от покоя?
Возможно, ты подумаешь, засмотревшись на мерцающие звезды: а вдруг весь мир (с тобой вместе) мчится с невообразимой скоростью сквозь пространство? Узнаешь ли ты об этом когда-нибудь?
Ты затаился… под палубами большого корабля… пока его движение плавное, без рывков и остановок, корабль может плыть с любой скоростью, и ты не заметишь никакой разницы.
Галилео Галилей «Диалог о двух главнейших системах мира» [Galileo Galilei. Dialogue concerning the Two Chief World Systems, Ptolemaic &Copernican, trans. Stillman Drake. Berkeley: University of California Press, 1953, 187.]
В данный момент, поскольку Земля вращается вокруг своей оси, мы вращаемся вокруг ее центра со скоростью порядка 1000 километров в час (км/час). Земля вращается вокруг Солнца со скоростью примерно 108000 км/час, или около 30 км /сек. В свою очередь Солнце вращается вокруг центра нашей Галактики — Млечного пути — со скоростью 220 км/сек, а наша Галактика несется в межгалактическом пространстве с почти вдвое большей скоростью [Солнце движется со скоростью 370 км/с (с точностью до 1 %) по отношению к космическому микроволновому фоновому излучению, измеренному в экспериментах со спутниками; см. С. Н. LINEWEAVER et al. The Dipole Observed in the COBE DMR 4 Year Data // Astrophysical Journal 470 (1996), 38.]. В настоящий момент мы в буквальном смысле мчимся сквозь вселенную со скоростью около 1000 махов: такой скоростью кого угодно можно доставить в любую точку Земли меньше, чем за минуту. Вы ощущаете эту скорость?
Нет, не ощущаете, как не ощущаете движения плавно скользящего в воздухе со скоростью 1000 км/час самолета (очень медленного по отношению к приведенным выше скоростям), когда, сидя в нем, потягиваете свой коктейль. И вспомните еще моменты смятения, связанные с автомобилем, когда вы никак не можете понять, что происходит: это вы едете вперед — или ваш сосед сдает назад? Вы наверняка замечали эту странность нашего мира, но скорее всего не слишком о ней размышляли. А если все же поразмышлять?
