Передать ощущения бесконечности и безвременности настоящего почти невозможно, поскольку слова вроде «безвременный», «настоящее», «прошлое», «мгновение» и т. д. относятся к нашим обычным представлениям о времени. Поэтому очень сложно понять истинное значение приведенных выше высказываний мистиков. Но здесь нам снова поможет современная физика: она может быть использована для того, чтобы графически представить, как ее теории преодолевают ограниченность обычных представлений о времени.

В релятивистской физике история объекта — скажем, частицы — может быть запечатлена на так называемой пространственно-временной диаграмме (рис. 23).

Рис. 23. Мировые линии частиц

На этих диаграммах горизонтальная ось соответствует пространству[167], а вертикальная — времени. Путь частицы в пространстве-времени называется ее «мировой линией». Если частица даже находится в состоянии покоя, она движется во времени, и ее мировая линия в этом случае представляет собой вертикальную прямую. Если частица перемещается в пространстве, ее мировая линия становится наклонной: чем больше наклон, тем выше скорость частицы. Во времени частицы могут двигаться на диаграмме только вверх, а в пространстве способны перемещаться как вперед, так и назад. Их мировые линии могут в разной степени приближаться к горизонтальной оси, но никогда не совпадают с последней: это означало бы, что перемещение частицы из одной точки в другую не требует времени.

Пространственно-временные диаграммы используются в релятивистской физике для изображения взаимодействия между различными частицами. Для каждого процесса можно построить диаграмму и вывести математическую формулу, характеризующую его вероятность. Так, процесс столкновения, или «рассеяния», электрона и фотона можно представить в виде следующей диаграммы (рис. 24).

Рис. 24. Рассеяние при столкновении электрона с фотоном

Эта диаграмма читается следующим образом (снизу вверх согласно течению времени): электрон, обозначенный как е^—, сталкивается с фотоном (γ); электрон поглощает фотон, продолжая движение с несколько изменившейся скоростью (на диаграмме это отражается изменением угла наклона его мировой линии); через некоторое время электрон испускает фотон и изменяет первоначальное направление движения.

Дисциплина, рассматривающая системы этих пространственно-временных диаграмм и математических формул, называется квантовой теорией поля. Это одна из самых важных релятивистских теорий современной физики (их мы рассмотрим позже). Для обсуждения пространственно-временных диаграмм нам достаточно ознакомиться с двумя самыми характерными ее особенностями. Первая состоит в том, что все взаимодействия сводятся к возникновению и исчезновению частиц, например к поглощению и последующему испусканию фотона, изображенному на диаграмме. Вторая имеет отношение к принципиальной симметричности частиц и античастиц. Для каждой частицы есть античастица с такой же массой и противоположным зарядом. Так, античастица электрона называется позитроном и обычно обозначается как 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).