Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

другом со скоростью, близкой к световой. Астронавт на борту одной из ракет посылает световой импульс навстречу второй, измеряя при этом скорость перемещения этого импульса. Поскольку астронавт может на совершенно законном основании утверждать, что находится в состоянии покоя, тогда как все движение происходит за счет второй ракеты, он должен видеть, как свет удаляется от него со своей обычной скоростью, то есть со скоростью чуть более миллиарда километров в час[15], и именно это он и наблюдает. А астронавт во второй ракете может с тем же основанием полагать, что он без всякого движения «подвешен» в пространстве.

Поэтому он полагает, что, измерив скорость достигшего его света, он получит цифру чуть более одного миллиарда километров в час (поскольку, как и звук машины, скорость света не должна зависеть от скорости, с которой приближается ко второму астронавту источник света). И действительно, получается предполагаемый результат. Поэтому может показаться, что оба астронавта получают одинаковое значение скорости для одного и того же светового импульса, хотя они сами сближаются почти со скоростью света!

Это странное свойство света, как оказывается, обусловлено не самим светом, а свойствами скорости, с которой свет может перемещаться, – скорости, максимально возможной в нашей Вселенной и являющейся связующим звеном между пространством и временем. Ибо свет способен перемещаться с одной и той же скоростью с точки зрения всех наблюдателей вне зависимости от того, с какой скоростью перемещаются они сами, только при одном условии – если мы изменим свое понимание расстояния и времени.

Еще пример. Представьте, что вы посылаете с Земли серию импульсов, или вспышек, в космос – вашему другу, который унесся ввысь на сверхмощной ракете, способной развивать скорость до 99 % скорости света. Вы будете измерять импульсы, которые удаляются от вас со скоростью миллиард километров в час и, значит, постепенно обгоняют ракету вашего друга на 1 % скорости света; так же как автомобиль на хайвее может ехать чуть быстрее, чем машина на соседней полосе, и обгонит ее со скоростью, равной разности их скоростей. Но что увидит ваш друг в ракете, если будет следить за обгоняющими его импульсами? Теория относительности говорит нам, что он все равно увидит, что импульсы обгоняют ракету со скоростью один миллиард километров в час. Помните, что скорость света постоянна, причем для всех наблюдателей.

Все это можно осмыслить только при условии, что время на борту ракеты течет медленнее, чем для вас здесь, на Земле. Только тогда то, что вы наблюдаете как импульс света, медленно обгоняющий ракету, вашему другу покажется мгновенно пронесшимся мимо, поскольку на ракете с ее медленно текущим временем пройдет лишь мгновение, хотя для вашего друга часы будут тикать в нормальном темпе. Одно из следствий того, что все наблюдатели воспринимают скорость света одинаково, – мы по-разному оцениваем время и расстояние. И это действительно так: постоянство скорости света является для всех наблюдателей фактом, вновь и вновь подтверждаемым на практике; в ином случае наш мир лишился бы всякого смысла.

Специальная теория относительности помогает разрешить это парадоксальное противоречие, комбинируя время и пространство таким образом, что результат приемлем для всех. Представьте, что все пространство заключено в огромную кубическую емкость. Чтобы определить некое событие внутри этой емкости, припишем ему координаты x, y и z (указывают его положение относительно трех осей внутри емкости), а также определенное значение времени (момент, когда произошло событие). Здравый смысл, скорее всего, подскажет нам, что временное значение очень отличается от тех, что определяют положение события в пространстве. Но что, если добавить к трем уже существующим осям ось времени? Она должна будет проходить в «направлении», перпендикулярном трем пространственным, что нам трудно представить. Это привело бы к образованию четырехмерного пространства-времени. Упростим эту картину, что поможет нам визуально ее представить, – пожертвуем одним пространственным измерением и поместим наш трехмерный объем на двухмерную плоскость, используя освободившуюся ось для времени. Теперь вообразите этот статичный блок пространства и времени в виде нарезанного батона, где ось времени расположена по его длине. Каждый кусок хлеба является моментальным снимком всего пространства, а следующие друг за другом куски соответствуют следующим друг за другом моментам времени. Эта модель известна в физике как модель блоковой вселенной. Хотя она имеет только три измерения (два пространственных и одно временное), нельзя забывать, что на самом деле она представляет собой четырехмерный конструкт: четырехмерное пространство-время. Математически представить это нетрудно, но невозможно представить зрительно.

Пытаясь представить себе 4D время-пространство снаружи, мы испытали бы всю полноту бытия, причем не только в пространстве, но и во времени: прошлое, настоящее и будущее в едином и застывшем состоянии. Такое вообразить невозможно, это выше человеческого понимания, потому что на самом деле мы всегда находимся в ловушке блоковой вселенной и воспринимаем ход времени как непрерывное медленное движение по оси времени, плавный переход от одного «куска хлеба» к другому, как будто кадры фильма сложены в стопку, а не следуют друг за другом, как на пленке. Концепция блоковой вселенной помогает нам понять, как может меняться наше восприятие действительности под воздействием теории относительности. Два наблюдателя, которые перемещаются с большой скоростью друг относительно друга, могут зафиксировать два события – скажем, вспышки света, но они разойдутся во мнении по поводу того, какова разница во времени между этими событиями или на каком расстоянии друг от друга они произошли. Это та цена, которую мы должны заплатить, если хотим воспринимать скорость света одинаково. Если рассматривать расстояния и временные интервалы в рамках четырех измерений, заданных теорией блоковой вселенной, то их можно объединить в одно целое, так что интервал между любыми двумя событиями, который называется пространственно-временным интервалом, будет для всех наблюдателей одинаковым. Их разногласия в отношении расстояния и времени, рассматриваемых по отдельности, оказываются не более чем различием в их пространственно-временном положении. Мы с вами можем смотреть на куб под разными углами зрения; и тогда то, что я увижу как глубину (то есть расстояние, измеряемое вдоль линии моего взгляда), будет отличаться от того, что увидите вы, глядя на куб из фронтальной позиции. Однако мы все равно согласимся, что это куб с ребрами равной величины, а любое различие объясняется различием в углах зрения. То же происходит и с четырехмерной блоковой вселенной. Мы всегда будем считать пространственно-временные интервалы между событиями одинаковыми.

Теория относительности Эйнштейна гласит: мы должны рассматривать предметы в рамках четырехмерного пространства-времени, в котором и пространственный, и временной интервал зависит