Физика времени

Чернин Артур Давидович

Герман Минковский (1864—1909), немецкий математик и физик, много сделавший для разработки математического аппарата теории относительности, разъясняя в 1908 году новые взгляды на пространство и время, заявил: «Отныне понятия пространства самого по себе и времени самого по себе осуждены на отмирание и превращение в бледные тени, и только своего рода объединение этих двух понятий сохранит независимую реальность».

Мы обсудим сейчас это решительное утверждение, постараемся разобраться, что на самом деле скрывается за «своего рода объединением» и «независимой реальностью», о которых говорит один из основоположников новейшей физики.

Далее

мы коснемся таких важных тем как причинная связь явлений во времени и абсолютный характер различия между прошлым и будущим.

4 = 3 + 1

Чтобы изучить какое-то событие в мире физических явлений, нужно прежде всего знать, где и когда оно произошло. Ответить на вопрос где! — значит указать место происшествия; ответить на вопрос когда! — указать соответствующий момент времени.

Указать место в пространстве мы можем с помощью координат. Каждой точке на Земле отвечают, как известно, две географические координаты — широта и долгота. Это два числа. Например, 60 градусов северной широты, 40 градусов восточной долготы. По этим двум числам легко найти место на карте или на глобусе.

Если летит самолет, то для указания его положения в пространстве нужно задать уже не два, а три числа: географические координаты точки, под которой самолет пролетает, плюс еще высота его полета.

Неважно даже, какими координатами мы будем пользоваться, географическими или какими-либо иными, все равно в общем случае для определения места события нужно всегда знать три числа.

Четвертое число, которое к ним нужно добавить, — это момент времени. Момент задается одним числом.

Все это означает, что пространство трехмерно, а время одномерно. Мир физических событий, каждое из которых определяется четырьмя числами, является из-за этого четырехмерным: 3 + 1 = 4.

«Когда нематематик слышит о «четырехмерном», его охватывает мистическое чувство, подобное чувству, возбужденному театральными приведениями», — говорит в одной из своих статей Эйнштейн и добавляет, что «тем не менее нет более банального утверждения», чем утверждение о четырехмерности мира. Четырехмерность не означает ничего иного, кроме того, что мир физических явлений «складывается из отдельных событий, каждое из которых описывается четырьмя числами».

Четырехмерность не была изобретением теории относительности. Мир классической физики тоже, очевидно, четырехмерен. Поэтому четырехмерность не нужно было открывать или вновь вводить.

Время—движение—пространство

Уже классическая физика «объединила» время и пространство: она связала их через движение. Действительно, движение тела можно изобразить на диаграмме путь — время. Допустим, что по горизонтальной оси откладываются моменты времени, а по вертикальной — расстояние от данного тела до исходного пункта, с которого оно начинает свое движение. В простейшем случае тело движется равномерно по прямолинейно. Пусть его скорость составляет 2 метра в секунду. Тогда через секунду после начала движения тело продвинется на расстояние 2 метра от начала, через 2 секунды — на 4 метра, через 3 секунды — на 6 метров и т. д. Таков ряд событий в истории движения тела, за которым мы наблюдаем, событий, разделенных интервалом времени 1 секунда. На нашей диаграмме эти события изобразятся точками. А вся полная история движения тела будет очевидно, представляться

совокупностью всех точек на прямой, проходящей через наш ряд событий-точек. Линия, образуемая всеми событиями-точками в истории тела, называется его мировой линией.

В простом примере равномерного прямолинейного движения мировая линия представляется прямой на двумерной диаграмме путь — время. Не слишком трудно представить себе, что будет, если тело совершает более сложное движение и может перемещаться не только по прямой, а по плоскости. Тогда каждое из событий в его истории будет описываться тремя числами — двумя пространственными координатами, соответствующими положению данной точке на плоскости, и третьим числом — моментом времени, когда тело находилось в этой точке.

Следующий шаг состоит в том, чтобы допустить движение тела во всем пространстве. Тогда каждой точке пространства придется сопоставить три числа, три пространственных координаты, а событие будет характеризоваться этими тремя числами плюс четвертое число — момент времени, когда тело находилось в данной точке. И это дает нам уже четырехмерное пространство-время.

Четырехмерное пространство-время нельзя изобразить в виде простой диаграммы, его нелегко представить себе наглядно. Но многие принципиальные черты событий в четырехмерном физическом мире можно успешно изучать и на двумерной диаграмме путь — время.

Пространство и время выступают на этой диаграмме совершенно равноправно, как равноправны оси координат — вертикальная и горизонтальная. В таком графическом представлении время и пространство очень похожи друг на друга. Никакой существенной разницы между ними как будто не видно.

Можно сказать, что движение, поскольку оно происходит сразу и в пространстве, и во времени, связывает и даже как бы уравнивает между собой пространство и время. Посредством движения время и пространство приобретают (или проявляют) общие черты и в результате становятся физическими качествами одной природы.

Это соображение распространяется, очевидно, и на общий случай, когда движение не одномерно, а трехмерно и нужно принимать во внимание все три координаты пространства. 

События и лучи света

Как выглядит мировая линия света? Очень просто: свет распространяется с постоянной скоростью, значит, его мировая линия на диаграмме путь — время будет прямой. Допустим, луч света выходит из начала координат, из точки, которой отвечает начало отсчета расстояния и начало

отсчета времени в некоторой выбранной нами системе отсчета. Если луч распространяется в сторону положительных значений пространственной координаты, вверх по вертикальной оси, то его мировая линия прочертит прямую ОА на нашем рисунке. Если он идет в противоположном направлении, получится прямая ОВ. Пусть имеются два луча, которые одновременно вышли из начала координат и пошли в противоположных направлениях. В пространстве их пути будут просто двумя параллельными линиями: лучи идут вдоль одной прямой в противоположных направлениях. А на диаграмме путь — время их мировые линии будут представляться прямыми, наклонными друг к другу: они исходят из одной точки, но под углом друг к другу.