Физика времени

Чернин Артур Давидович

Треугольник АОВ, очерченный на рис. 16 мировыми линиями света, выделяется как особая область в пространстве-времени. Поскольку скорости всех физических тел меньше скорости света, для тел, вышедших вместе с лучами, одновременно с ними, из начала координат, все события их истории целиком уме– уместятся внутри этой области АОВ. Там проходят все возможные мировые линии этих тел. Тела могут двигаться в пространстве вдоль той же прямой, что и свет, но не обязательно равномерно. Поэтому их мировые линии могут быть и прямыми, если движение равномерно, и кривыми, если оно неравномерно. Но как бы тела ни двигались — равномерно или неравномерно, их мировые линии никогда не пересекут мировые линии света.

Представим себе теперь, что

лучи не выходят из начала координат, а приходят в него. Тогда один луч может приближаться со стороны положительных значений пространственной координаты (то есть сверху на нашем рисунке), а другой — со стороны отрицательных (снизу). Первый изобразится мировой линией ВО, а второй — АО. Луч, пришедший снизу, может далее пойти вверх, минуя начало координат, — это даст ту же мировую линию ОА. А луч, пришедший сверху, продолжит свой путь вниз, по мировой линии ОВ.

Теперь на диаграмме изображена вся история лучей, до начального момента и после него. Их мировые линии разделяют нашу диаграмму на три области. Первая из них — это уже знакомая нам область АОВ. Вторая — новый треугольник BOA. А третья — это все остальное, что лежит вне этих двух треугольников.

Как и первая область, вторая представляет собой область всех событий в жизни любых тел, движущихся со скоростями, меньшими скорости света. Только теперь это — движения, про– происходившие не после, а до начального момента. Такие движения могут привести эти тела в начало координат.

Третья область сама состоит, как видно по рисунку, из четырех частей. Те две ее части, что лежат справа от вертикальной оси, вне треугольника АОВ, недоступны ни свету, ни любым телам, вышедшим из начала координат. Они в эти зоны никогда не попадут. Другие две части, лежащие слева от вертикальной оси, вне треугольника BOA,— это зоны движений, для которых, наоборот, недоступно начало координат. Ни свет, ни любые тела, если они начинают свой путь из любой точки этих зон, никуда не попадут в начало координат.

Итак, двумерная диаграмма, такая простая на вид, имеет, как оказывается, весьма глубокий смысл. Она обнаруживает, что пространство-время обладает своим особым строением — оно складывается из трех различных областей, каждая из ко– которых имеет свои собственные свойства и черты. Такая структура пространства-времени отражает в первую очередь тот важнейший физический факт, что в природе существует предельная максимальная скорость движений — скорость света, которая постоянна и конечна.

А что было бы в отсутствие этого предела, при допущении бесконечности скорости света? Тогда мировые линии света на нашей диаграмме «разогнулись» бы и совпали с вертикальной осью. Все пространство-время при этом перестроилось бы: оно разделилось бы не на три, а только на две области. Вся область правее вертикальной оси в этом случае становится доступной для движений, исходящих из начала координат. Точно так же, начало координат становится доступным для движений, начинающихся в любой точке слева от вертикальной оси. В пространстве-времени исчезают «запрещенные зоны».

Допущение бесконечных скоростей тел или света означает, как нам уже приходилось видеть, переход к представлениям классической механики. При этом исчезает относительность одновременности и вообще относительность времени. Итак, изучение двумерной диаграммы для пространства-времени открывает нам новую грань реального физического мира, ускользавшую от старой физики. Реальное пространство-время устроено совсем не так, как это представлялось в классической механике. Оно состоит в действительности не из двух, а из трех физических различных областей.

Прошлое, настоящее, будущее

Продолжая исследование двумерного пространства-времени на нашей диаграмме, давайте считать, что начало координат означает для нас здесь и сейчас в данной системе

отсчета. Тогда все, что на диаграмме слева от вертикальной оси, — это прошлое, то, что было до настоящего момента, до сейчас. А все, что справа от вертикальной оси, — это будущее, то, что настанет после.

Пусть мы включили сейчас часы, а сами остаемся на месте. В пространстве мы не перемещаемся, путь равен нулю. Но и когда мы стоим на месте, с нами будут происходить события, которые образуют последовательность точек — нашу мировую линию. Эта линия совпадает, очевидно, с горизонтальной осью (ведь путь все время равен нулю) и продолжается вправо от начала координат. Мы остаемся на месте, но время течет, и потому мы движемся в пространстве-времени.

Если бы мы не стояли на месте, а перемещались в пространстве, то при любом способе движения наша мировая линия оставалась бы внутри треугольника АОВ. Любые события, которые с нами произойдут, лежат именно в этой области. Что бы с нами ни случилось, в ней найдется подходящая точка–событие, которая укажет место и время происшествия.

Коротко говоря, область правого треугольника — это для нас область достижимого будущего.

Но что происходило с нами прежде, до момента сейчас? Начала координат на нашей диаграмме мы можем достичь в том и только том случае, если все точки-события нашей предыстории лежат в области левого треугольника на этой диаграмме. Все, что уже произошло с нами, изображается определенными точками-событиями из этого треугольника. Область левого треугольника — это область нашего прошлого?

А что же такое для нас третья область, то есть область вне обоих треугольников? Там лежат события, которые наша мировая линия никогда не заденет. Это события, которые не случились с нами в прошлом и наверняка не случатся в будущем. Если вспомнить пространство-время классической механики, то там таких невозможных событий в принципе не существует.

Время, его течение увлекает нас за собой: мы можем стоять в пространстве, но остановиться и стоять во времени невозможно. Наша мировая линия неуклонно продолжается, что бы мы ни делали. Она продолжается гладко и непрерывно — у нее нет разрывов и она не делает петель. Мы не можем перепрыгнуть в будущее, минуя то, что отделяет нас от него. И мы не можем дважды побывать на одной вертикали, то есть в одном и том же моменте времени.

Мировая линия не может из будущего повернуть назад в прошлое или настоящее. Что было, то уже произошло и больше не вернется. События прошлого и будущего выстроены вдоль мировой линии раз и навсегда, и их порядок, их следование одного за другим никак не изменить, не перевернуть, не перепутать. И это с любой точки зрения: в любой системе отсчета ни одно событие не выпадет из нашей мировой линии, и все они сохранят неизменной свою очередность.

Порядок следования событий вдоль нашей мировой линии не относителен, он абсолютен. Абсолютно поэтому и разделение событий нашей истории на прошлое и будущее. И то же относится вообще к любому физическому телу.

Машина времени

Можем ли мы видеть прошлое? Способны ли мы проникнуть в будущее?

Недолго думая, кто-то, возможно, на оба эти вопроса сразу ответил бы «нет».

Но не будем торопиться и в поисках ответа снова обратимся к диаграмме, представляющей нам пространство-время с тремя его различными областями.

Только не стоит, пожалуй, ограничиваться и дальше лишь одним пространственным измерением. Если включить в нашу картину все три пространственных измерения, в ней, собственно, ничего особенно не изменится. Но только вместо треугольников нужно будет говорить о конусах в четырехмерном про– пространстве-времени. Все прошедшее лежит в конусе прошлого, все грядущее — в конусе будущего. И есть область вне этих ко-