Пространство, время и движение. Величайшие идеи Вселенной

Кэрролл Шон

Многие физики изучали гипотезу о том, что свет распространяется через среду, которую называли «светоносным эфиром». Однако никто из них так и не смог доказать, что он существует, а потому предлагались все более сложные доводы в пользу того, что светоносный эфир — субстанция необнаружимая. В 1905 году Эйнштейн заявил, что мы можем лучше понять законы физики без всякого эфира и он нам совсем не нужен. Все, что нам требовалось сделать, — принять совершенно новую концепцию пространства и времени. (Согласен, это непросто. Однако игра стоит свеч.)

Идеи Эйнштейна сейчас известны как специальная теория относительности. Ее основы изложены в работе «Об электродинамике движущихся тел», в

которой доказана необходимость нового взгляда на длину и продолжительность. Ученый объяснил особую роль скорости света, предположив, что во Вселенной существует абсолютный предел скорости — скорость, с которой свет распространяется в пустом пространстве, и что она одинакова для всех, независимо от скорости того, кто измеряет ее значение. Но чтобы доказать эту теорию, Эйнштейну пришлось изменить привычные представления о времени и пространстве.

И все же он не предлагал объединить время и пространство в единое пространство-время. В 1907 году это сделал Герман Минковский, который когда-то работал профессором в университете. Место действия специальной теории относительности сегодня известно как пространство-время Минковского.

У многих из тех, кто впервые задумался о времени и пространстве как о едином четырехмерном континууме, возникает много вопросов. Какую форму имеет пространство-время? Оно плоское либо искривленное? Статичное или динамичное? Конечное или бесконечное? Пространство Минковского — плоское, статичное и бесконечное. Эйнштейн приложил много усилий к тому, чтобы включить в свою теорию гравитацию. В конце концов он понял, что пространство-время может быть динамичным и искривленным, а то, что мы ощущаем как гравитацию — влияние этой кривизны. В результате такого озарения появилась общая теория относительности.

Итак, специальная теория относительности говорит о плоском статичном пространстве-времени без гравитации, а общая — о динамичном пространстве-времени, кривизна которого порождает гравитацию. Обе теории считаются «классическими», хотя и заменяют некоторые принципы механики Ньютона. Для физиков слово «классический» не означает «нерелятивистский», оно означает «неквантовый». Несмотря на более сложное представление о времени и пространстве, в релятивистском контексте полностью сохраняются все принципы классической физики, включая возможность использовать динамику Гамильтона и принцип наименьшего действия.

Два определения времени

Знакомство со специальной теорией относительности обычно начинают с рассказов о «сокращении длины» и «растяжении времени». Эти понятия заслуживают уважения, но отражают старомодную тенденцию рассматривать время и пространство как отдельные фундаментальные понятия, хоть и более эластичные, чем мы привыкли.

Истина более глубока. Нам нужно расстаться с дорелятивистской привычкой разделять время и пространство, позволить им раствориться в едином пространстве-времени. Для этого лучше всего еще раз, более пристально посмотреть на то, что мы понимаем под временем. И лучше всего начать с нового взгляда на то, что мы думаем о пространстве.

Представьте себе две точки в пространстве: например, ваш дом и любимый ресторан. Каково расстояние между ними?

Ну, это как посмотреть, скажете вы, не задумываясь. Если напрямик, по идеальной прямой между точками, то будет одно расстояние. А если в реальности, где нужно петлять между зданиями, обходить препятствия, идти по улицам и переулкам, то расстояние будет совсем другим, и оно будет больше, чем при движении напрямик. Действительно, прямая — кратчайший путь между точками.

Теперь рассмотрим два события в пространстве-времени.

На техническом жаргоне теории относительности «событие» — это точка во вселенной, которая определяется положением в пространстве и временем. Первым событием (обозначим его за А) будет «дома в шесть часов вечера», а вторым (событием B) — «в ресторане в семь часов вечера». Подумайте о том, как пройти из А в B. Слишком быстро идти нельзя, ведь если подойти к ресторану без пятнадцати семь, это не будет событие В. И чтобы оно наступило, придется подождать.

Раньше мы задавались вопросом о расстоянии между точками. Теперь подумаем, сколько времени прошло между событиями.

— Вопрос с подвохом? — спросите вы. — Если одно событие наступило в шесть часов, а другое в семь, между ними прошел ровно час.

— Не так быстро! — сказал бы Эйнштейн. — В довольно устаревшей, ньютоновской картине мира — естественно. Когда время абсолютно и универсально, а события разделяет один час, то больше тут не о чем говорить.

В теории относительности все по-другому. Теперь есть два разных представления о том, что мы понимаем под «временем». Прежде всего время — это координата в пространстве-времени, четырехмерном континууме. Если нам нужно указать точку в нем, удобно приписать каждой из них число, которое называется «временем». Именно это обычно имеется в виду, когда говорят «шесть часов вечера». Такая метка помогает определить точку, где происходит событие. Все хорошо понимают, что значит «встретимся в ресторане в семь часов вечера».

Однако теория относительности говорит, что время, реально затраченное на движение по мировой линии, обычно не совпадает с координатным временем и зависит от выбранного пути, точно так же как расстояние по прямой линии отличается от пройденного по реальной траектории. Человек ощущает количество времени, которое показывают часы у него на руке. Это и есть собственное время, проведенное в дороге. Но показания часов, как и показания одометра в машине, зависят от выбранного пути.

Это как раз одно из значений фразы «время относительно». Мы можем понимать время как координату в пространстве-времени или как личное время, проведенное в пути. Для времени, также как для пространства, эти понятия не обязаны совпадать. (Как отмечает историк Питер Галисон, Эйнштейн не случайно работал в швейцарском патентном бюро в те времена, когда бурно развивались железные дороги, а европейцы стали серьезно думать о времени в других городах континента и более точных часах.)

Инерциальные траектории требуют максимум времени

Время должно иметь какие-то отличия от пространства. Иначе мы говорили бы просто о четырехмерном пространстве, а не выделяли время как нечто особенное. Речь сейчас не о стреле времени: мы снова вернулись к простому миру, где мало движущихся частей и нет нужды беспокоиться об энтропии и необратимости.

Отличие заключается в следующем. В пространстве прямая линия — это кратчайший путь между двумя точками. В пространстве-времени, напротив, прямая траектория требует максимальных затрат времени на путь между двумя событиями. Именно эта противоположность и отличает время от пространства.