е+. Для фотона, не имеющего электрического заряда, античастицей будет сам фотон. Он может распадаться на позитрон и электрон, а последние — объединиться и образовать фотон в обратном процессе, именуемом аннигиляцией.
Есть хитрость, которая позволяет упростить пространственно-временные диаграммы. Стрелка на мировой линии используется не для обозначения направления движения частицы (это не нужно: очевидно, что все частицы движутся во времени вперед, а на диаграмме, соответственно, вверх). Она применяется для того, чтобы провести различие между частицами и античастицами: если стрелка направлена вверх, мы имеем дело с частицей (например, электроном), а если она указывает вниз, перед нами античастица (соответственно, позитрон). Фотон, который является одновременно и античастицей, обозначается на диаграммах прерывистой линией без стрелки. Так мы можем смело отказаться от обозначений на диаграмме, не рискуя при этом совершить ошибку: все линии со стрелками обозначают электроны, без стрелок — фотоны. Для упрощения мы можем отказаться от осей координат пространства и времени, помня, что ось времени имеет направление снизу вверх, а движение в пространстве обозначается слева направо. В результате пространственно-временная диаграмма, изображающая столкновение фотона с электроном, приобретает такой вид, как на рис. 25.
Рис. 25. Рассеяние при столкновении электрона с фотоном
Чтобы построить диаграмму, изображающую столкновение фотона с позитроном, нужно изменить направление стрелок в верхней диаграмме (рис. 26).
Рис. 26. Рассеяние при столкновении позитрона с фотоном
До сих пор мы не встретили на пространственно-временных диаграммах ничего необычного. Мы читали их снизу вверх, следуя обычным представлениям о линейном течении времени. Но дело принимает совсем иной оборот при создании диаграмм столкновения фотона с позитроном. Математические формулы теории поля дают возможность двоякой интерпретации такой диаграммы: на ней можно увидеть либо позитроны, движущиеся во времени вперед, либо электроны, движущиеся во времени назад! В математическом отношении эти два варианта идентичны: движение античастицы из прошлого в будущее и наоборот выражается при помощи одного уравнения. Следовательно, мы можем утверждать, что две наши диаграммы на рис. 27 изображают один процесс, протекающий во времени в различных направлениях. На обеих можно увидеть столкновение фотона и электрона, но на первой частицы движутся во времени вперед, а на второй — назад[168]. В релятивистской теории взаимодействия частиц мы обнаруживаем полную симметрию по времени. Для каждого процесса существует аналог, развертывающийся в обратном направлении во времени, в котором частицы заменены античастицами[169].
Рис. 27. Две диаграммы рассеяния
Чтобы понять, как это удивительное свойство мира субатомных частиц влияет на наши представления о пространстве и времени, рассмотрим следующую диаграмму (рис. 28).
Рис. 28. Рассеяние при столкновении фотонов, электронов и позитронов
При традиционном прочтении снизу вверх мы интерпретируем ее так: электрон е— (изображенный сплошной линией) сближается с фотоном (пунктир); в точке А фотон преобразуется в электронно-позитронную пару, при этом электрон удаляется вправо, а позитрон — влево; затем позитрон сталкивается с другим электроном в точке В, где происходит их взаимная аннигиляция. В результате возникает фотон, движущийся влево. Этот процесс можно рассмотреть и как взаимодействие двух фотонов с одним электроном, дважды изменяющим направление движения во времени: сначала вперед, потом назад, а затем снова вперед. В последнем случае мы руководствуемся указаниями стрелок на линии электрона на всем протяжении его пути. Электрон перемещается в точку В, испускает фотон и начинает двигаться в обратном направлении во времени до точки А; здесь он поглощает исходный фотон и снова движется во времени вперед. Второй вариант гораздо проще первого: в нем мы имеем дело с мировой линией одной частицы. Но при этом мы сталкиваемся с серьезными проблемами языка описания. Электрон перемещается «сначала» в точку В, а «потом» в точку А; но поглощение фотона в точке А предшествует эмиссии другого фотона в точке В.
Этих сложностей можно избежать, если рассматривать пространственно-временные диаграммы не как отображения движения частиц во времени, а как четырехмерные пространственно-временные модели, изображающие ряд взаимосвязанных событий, которые не имеют четко определенной временной последовательности. Поскольку все частицы могут перемещаться во времени вперед и назад, как в пространстве им доступны перемещения вправо и влево, по меньшей мере нелогично интерпретировать эти диаграммы как однонаправленные во времени. Это четырехмерные пространственно-временные картины, к которым неприменимо понятие последовательности во времени. Вот что по этому поводу говорил Луи де Бройль[170].
Всё то, что каждый из нас воспринимает как прошлое, настоящее и будущее, в пространстве-времени оказывается слитым воедино… Каждый наблюдатель сталкивается с различными слоями пространства-времени и видит в них сменяющие друг друга явления материального мира, хотя на самом деле их восприятию наблюдателем предшествует целостность всех явлений, составляющих пространство-время[171].
Именно в этом заключается полное значение понятия «пространство-время» в релятивистской физике. Пространство и время полностью эквивалентны друг другу; вместе они составляют четырехмерный континуум, в котором взаимодействия частиц могут происходить в любых направлениях. Если мы хотим получить картину этого взаимодействия, то должны сделать четырехмерную «моментальную фотографию», отображающую интересующие нас временной промежуток и область пространства. Для правильного понимания релятивистского мира частиц мы должны забыть о «протяженности времени», как говорит Чжуан-цзы. Поэтому пространственно-временные диаграммы квантовой теории поля — полезная аналогия пространственно-временным ощущениям восточных мистиков. Несомненность существования такой аналогии становится еще более очевидной после знакомства с замечаниями Ламы Говинды по поводу медитации в буддизме.
И если мы говорим о переживании пространства при медитации, то мы имеем дело с совершенно другим измерением… В этом переживании пространства временная последовательность превращается в мгновенное сосуществование, существование вещей бок о бок в состоянии взаимного проникновения. Оно не пребывает статично, но становится живым континуумом, в котором время и пространство сливаются в высшее иррациональное единство[172].
Хотя физики пользуются математическим формализмом и диаграммами для описания взаимодействий, происходящих в четырехмерном пространстве-времени, они говорят, что в действительности наблюдатель может воспринимать явления только в виде цепочки различных эпизодов пространства-времени, т. е. в форме временной последовательности. Мистики же, напротив, утверждают, что им доступно истинное восприятие всего пространственно-временного континуума, внутри которого не существует течения времени. Дзенский наставник Догэн говорил так.
Многие верят, что время проходит, но фактически оно остается там, где есть. Именно представление о «течении» может быть названо «временем», но это ложное представление: если зришь его только как прохождение, то не сможешь понять, что оно остается там, где есть[173].
Многие восточные мудрецы подчеркивают, что мышление должно происходить во времени, а провидение способно преодолевать его барьер. Провидение, по мнению Говинды, связано с пространством более высокого измерения, поэтому выходит за рамки времени[174]. Пространство-время релятивистской физики подобно пространству более высокого измерения, лишенному времени. Все явления, происходящие в нем, связаны друг с другом, но не как причины и следствия. Взаимодействия частиц могут быть описаны в терминах причин и следствий, только если мы читаем пространственно-временные диаграммы, двигаясь в определенном направлении, например снизу вверх. Если же видеть в них пространственно-временные модели без определенной временной направленности, то такие понятия, как «до» и «после», исчезают, и в них уже нет никакой причинной обусловленности.
Восточные мистики утверждают, что преодоление уз времени позволяет раздвигать границы мира, в котором существуют причинно-следственные связи. Как и общепринятые представления о пространстве и времени, понятие причинности ограничено нашим опытом мировосприятия. При расширении его границ такое представление должно быть отброшено в сторону. Вот что утверждает Свами Вивекананда[175].
Время, пространство и причинность похожи на стекло, сквозь которое мы смотрим на Абсолют… В самом же Абсолюте нет ни времени, ни пространства, ни причинности[176].
Восточные духовные традиции предлагают своим последователям разные способы освобождения от привычного восприятия времени и оков причинно-следственных связей — от уз кармы, как выражаются индуисты и буддисты. Поэтому часто говорят, что восточный мистицизм являет собой «освобождение от времени». В определенном смысле то же можно сказать и о релятивистской физике.