Пространство и время и пространство-время22.03.2016 13:37

Отрывок из книги Леонарда Шлейна об открытии Германа Минковского, пространственно-временном континууме и развитии квантовой физики

Совместно с издательством «Альпина нон-фикшн» мы публикуем отрывок из книги «Мозг Леонардо. Постигая гений Да Винчи» доктора медицинских наук и популяризатора Леонарда Шлейна, посвященный понятию пространственно-временного континуума.

Вода, которая вытекает из рек, — последняя, которая ушла, и первая, которая приходит. Таково и настоящее время.
Леонардо да Винчи

Причина того, что наше ощущающее, воспринимающее и мыслящее эго нигде не встречается в нашей научной картине мира, легко формулируется семью словами: потому что оно само является картиной мира. Оно идентично целому и поэтому не может содержаться в нем как его часть.
Эрвин Шрёдингер

Но хотя всякое наше познание и начинается с опыта, отсюда вовсе не следует, что оно целиком происходит из опыта.
Иммануил Кант

Философ Иммануил Кант в XVIII веке изложил целый ряд пророческих идей о структуре сознания. На тот момент он не мог знать, что нейробиологи нашего времени подтвердят его догадки. Идеи Канта дают концептуальную основу, позволяющую понять, как уникальная структура мозга Леонардо взрастила его творческий дар.

Платон в своей аллегории с пещерой представляет человечество как узников. За пределами их подземного жилища бурлит жизнь. Тени от огромного костра на стене пещеры дают некое представление о том, чем занимаются люди наверху. Оковы не дают им возможности развернуться и посмотреть назад. Таким образом, им остается думать, что эти пляшущие тени перед ними и есть настоящая жизнь.

Развивая метафору Платона, Кант предположил, что точно так же люди обречены смотреть на мир cо своей колокольни. Мы выглядываем из темницы наших чувств и то, что воспринимаем, называем «внешней реальностью». Наше сознание различает «внутри меня» и «снаружи». Кант сетовал, что мы никогда не сможем наверняка узнать то, что на самом деле находится вне нас, сущность, которую он назвал «вещь в себе» (das Ding an sich).

Несмотря на то что мы остаемся запертыми в пещере, расположенной за лобной костью, человечество сделало вполне успешные попытки осмыслить внешний мир. Это стало возможным благодаря нашей способности к языку. Как ДНК состоит из четырех оснований, так и мы используем четверичный код, чтобы создать нашу версию того, что находится «вне нас». Эти четыре элемента — материя, энергия, пространство и время.

В каждой фразе, которую мы произносим, материя и энергия — две главные составляющие. В общих чертах материю можно представить как вещи — существительные, а энергию как действия — глаголы. Существительные (материя) и глаголы (энергия) — строительные блоки наших мыслей. Пространство и время — это важнейшие характеристики, позволяющие оживить фразу, уточнив место действия. Пространство — это место, где происходят действия, выраженные словами, а время задает темп повествования. Слова слетают у нас с языка, одно за другим, поэтому время — важнейшее измерение, архивирующее все наши слова.

Кант предположил, откуда берут начало эти четыре компонента реальности. И это важно для нашей истории о Леонардо.

Признавая, что представления об окружающей реальности должны с чего-то начинаться, Кант в своей теории вывел человеческое познание от априорных знаний (от латинского a priori — от предшествующего). Он предположил, что мы рождаемся с врожденными представлениями о двух разных измерениях: пространстве и времени. Для успешности нашего вида (Homo sapiens) важно было представлять время и пространство раздельно. Некоторые виды животных хорошо ощущают свое положение в пространстве и могут свободно передвигаться в нем во всех направлениях (например, ласточки, летучие мыши, обезьяны), но почти ни у кого нет представления о времени.

Благодаря работам нобелевского лауреата Эрика Кэндела мы теперь знаем, что даже такие примитивные организмы, как голожаберные моллюски, могут хранить прошлое в своей простой нервной системе. Такая первичная память важна для предсказывания событий, которые могут произойти. Большинство животных способно запоминать прошлые события, умеют отличать врагов от друзей, но только один вид может легко путешествовать по дороге, связывающей прошлое, настоящее и будущее. И этот вид — мы.

Мы рождены с двумя сверхчувствительными органами, обрабатывающими информацию, полученную от пяти типов органов чувств, что позволяет нам понимать наше положение во времени и пространстве. Я утверждаю, что у Леонардо было измененное восприятие пространства и времени, что во многом и определило его исключительные творческие способности.

Все оказывается связано: догадки Канта, межполушарная асимметрия и творческий дар Леонардо. У нас есть общая с множеством других видов животных врожденная способность легко маневрировать в трехмерном пространстве. Но, кроме того, мы представляем себе три периода времени. Эта уникальная способность появилась, когда наш мозг разделился в процессе эволюции на две части.

Двойной мозг образует две оси: одна ось (X) — пространство, другая (Y) — время. Человек помещает понятие «реальность» на эту координатную плоскость. Естественный отбор сформировал человеческий мозг так, чтобы мы воспринимали пространство и время как две отдельные области. За счет такого разделения мы получили большое преимущество в конкурентной борьбе за ресурсы.

Новый штрих к спорам о пространстве и времени добавил в 1905 году Альберт Эйнштейн, решив проблему, волновавшую физиков со времен Ньютона. Когда Ньютон разрабатывал свою великую теорию тяготения, он не мог объяснить причину той силы, которая притягивает друг к другу два тела, расположенных в разных местах пространства. Чтобы решить эту задачу, он использовал представления о том, что вся Вселенная заполнена прозрачным плотным веществом, которое он назвал светоносным эфиром. Авторитет Ньютона в то время был невероятно велик, а мысль, что два шара могут притягиваться друг к другу, когда между ними ничего нет, казалась столь нелепой, что объяснение Ньютона было принято практически без возражений.

Молодой Альберт Эйнштейн в своей статье в престижном немецком научном журнале Annalen der Physik изложил теорию, известную как специальная теория относительности. На страницах, покрытых паутиной уравнений, он математически доказал, что свет может распространяться в пространстве и времени сам без каких-либо носителей!

Ньютон считал, что и пространство, и время неизменны. Пространство представляет собой неэластичную вселенную, а время — поток, текущий с постоянной скоростью. Эйнштейн перевернул представления Ньютона с ног на голову. Согласно теории относительности и пространство, и время чрезвычайно пластичны, неизменна лишь скорость света. Эйнштейн утверждал, что скорость света является константой и составляет около 300 000 км / час. Время и пространство деформируются так, чтобы свет мог продолжать движение с неизменной скоростью.

Эйнштейн столь глубоко чтил гений Ньютона, что чувствовал себя обязанным написать давно умершему английскому физику письмо с извинениями за то, что выбил краеугольный камень из основ его механики. Эйнштейн писал, что его теория относительности необходима для объяснения событий, происходящих на скоростях, близких к скорости света. К счастью, для всех остальных, живущих и путешествующих в нашем привычном мире, законы Ньютона остаются в силе.

Система, которую предложил Эйнштейн, настолько противо­речила традиционным представлениям и здравому смыслу, что многие ученые отказались принять новые идеи о взаимодействии пространства, времени и света. Учителем Эйнштейна был профессор Швейцарской высшей технической школы Цюриха Герман Минковский. Минковский признавался, что всегда считал Эйнштейна посредственным учеником и очень удивился, когда наткнулся в ежемесячном физическом журнале на статью своего бывшего студента. После изучения расчетов Эйнштейна у Минковского случилось научное озарение. В состоянии интеллектуального возбуждения Минковский схватил ручку и бумагу и начал писать формулы, без сомнения, доказывающие, что существует измерение высшего порядка, стоящее над временем и пространством.

В конце XIX века в научной и художественной среде тема высшего измерения была чрезвычайно популярна. Гипотезы насчет четвертого измерения строили и художники, и философы, и математики, и физики. Все они представляли его как еще одну перпендикулярную размерность пространства, добавленную к трем существующим: высоте, длине и ширине. Оставалась, однако, важная нерешенная проблема: как представить себе или нарисовать это четвертое пространственное измерение. Вы сможете легко воссоздать это затруднение, если взглянете на угол комнаты, в которой сидите. Вы видите тройной стык двух соседних стен и потолка. Куда в этой компактной структуре поместить еще одну плоскость? Как вообразить четвертый вектор пространства?

Выдающееся открытие Минковского состояло в том, что четвертое измерение он рассматривал не как четвертый вектора пространства, а как воссоединение времени и пространства. Он связал три пространственных вектора (длину, высоту и ширину) с тремя периодами времени (настоящее, прошлое и будущее). Получившееся четвертое измерение он назвал пространственно-временным континуумом. На престижном физическом семинаре Минковский произнес фразу, достойную пера драматурга: «Господа! Отныне время само по себе и пространство само по себе становятся пустой фикцией, и только единение их сохраняет шанс на реальность».

Лишь очень немногие смогли оценить новый подход, предложенный Минковским. Идея пространственно-временного континуума пригодилась в 1915 году Эйнштейну, когда он соединил вместе четыре главные сущности: материю, энергию, пространство и время, которые Кант определил как компоненты повседневного мира.

Понятие единого пространства-времени не поддавалось объяснению с точки зрения здравого смысла и оставалось непостижимым для широкой публики. Большинство просто приняли его на веру. Однако последующие захватывающие и убедительные научные достижения оправдали эти представления. Ученые используют теорию относительности Эйнштейна и формулы Минковского для самых разнообразных работ — от исследований межпланетного пространства, проводимых NASA, до интерпретации фотографий, присланных телескопом «Хаббл».

Очень немногие могут представить себе четвертое измерение, потому что наш мозг приспособлен иметь дело с такими скоростями, на которых теория относительности или пространственно-временной континуум не дают о себе знать. Ничто вокруг нас не требует мыслить масштабами скорости света (300 000 км / час).

Астроном и автор научно-фантастических произведений Фред Хойл в своей повести «Первого октября будет поздно» (October the First Is Too Late) писал:

Вы придерживаетесь нелепой и абсурдной иллюзии… идеи времени как могучего потока… Во всем этом деле есть только одна вещь, с которой я совершенно согласен: идея времени как последовательного продвижения от прошлого к будущему — ошибочна. Я прекрасно знаю, что мы ощущаем время субъективно. Но мы стали жертвой обмана.

Другие важные сведения появились в результате развития квантовой физики. Иллюзиями оказались и логическое понятие достоверности, и представление о местоположении в пространстве. Квантовые физики сделали целый ряд заявлений, которые остальная часть общества пока не воспринимает. К примеру, физик Юджин Вигнер писал, что «законы квантовой механики со всеми их следствиями нельзя сформулировать без обращения к понятию сознания». Многие другие квантовые физики пытались объяснить свои открытия, но из-за особенностей строения мозга нам сложно постичь, что такое нелокальность и экстрасенсорное восприятие. И все же совместные усилия квантовых физиков и основателей теории относительности изменили восприятие тех, кто смог понять их.

И здесь начинается рассказ о строении мозга Леонардо. Мог ли его мозг переходить в состояние измененного сознания? Было ли ему доступно четвертое измерение? Обладал ли его мозг способностью достигать квантового состояния?