В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики - Питер Эткинс

предстает нашему взору. Исаак Ньютон (1642–1726 по старому стилю), не говоря уж о Рене Декарте (1596–1650) и великом античном мудреце Аристотеле (384–322 до н. э.), который одновременно и вдохновлял, и душил научное мышление, да и мы сами, – все смотрят на пространственный мир и видят, что он трехмерен. Альберт Эйнштейн (1879–1955), стоявший на плечах гигантов, все это изменил. Его частная теория относительности (появившаяся в 1905 году, ставшем для Эйнштейна годом чудес, annus mirabilis, хотя еще большая слава пришла к нему позже, когда «частная» теория развилась в еще более необыкновенную «общую») требует от вас признать, что пространство сплетено со временем и то, что вы считали пространством и временем, не существует по отдельности, но только в виде составляющих единого целого, в виде мировой арены пространства-времени. Эта теория вносит в наши представления дискомфорт и переворачивает вверх дном то, что считалось устойчивым и надежным, – ведь теперь вы должны учитывать, что то, что вы принимаете за пространство и время, оказывается не тем пространством и временем, которыми пользуется ваш сосед. Если этот сосед движется (а это относится к большинству соседей, даже если они всего лишь прогуливаются, едут в машине или проносятся мимо в ракете), то он имеет отличные от ваших представления о том, какой именно составляющей пространства-времени является пространство, и какой – время.

Все зависит от того, насколько быстро вы двигаетесь. Если мы с вами не движемся вообще, то вы и я считаем пространством и временем именно их: пространство и время. Но представьте, что вы двигаетесь: идете, едете, летите в ракете. Тогда ваше восприятие преобразуется необыкновенным образом: время обращается в пространство, а пространство – во время. Вы абсолютно вправе считать, что нечто стационарное, неподвижное, находится в фиксированном положении с координатой, которую вы называете «пространственной». Но я, ваш проходящий мимо сосед, воспринимаю пространство и время по-другому, и я больше не согласен с вашей оценкой пространственно-временных координат события. Чем быстрее я несусь относительно наблюдателя – вас, – тем в большей степени мое восприятие времени обращается в восприятие пространства, и наоборот. Каждый из нас, занимаясь своими повседневными делами, воспринимает пространство и время по-разному: ваше пространство не мое, и ваше время тоже (если только мы не движемся с ровно одной и той же скоростью или оба покоимся). Эти различия проявляются, только если наша относительная скорость очень велика, если она приближается к скорости света. И это милосердно – ведь иначе ни наука, ни общество не могли бы, вероятно, существовать. Тем не менее дело обстоит именно так – структура реальности такова, что пространство-время для каждого из нас оказывается различным и зависит от нашего относительного состояния движения (откуда и слово «относительность»).

Теперь мы можем вернуться к роли скорости света. То, что существует предельная скорость распространения информации и что согласно частной теории относительности она не может превосходить c, иногда кажется совершенно непонятным. Почему такое ограничение вообще существует? Не может ли оно быть связано с некоей вязкостью, с сопротивлением, похожим на то, которое испытывает мяч, летящий сквозь вязкую среду? Может быть, пространство обладает вязкостью, и поэтому скорость распространения информации в нем ограничена скоростью света? Нет! Объяснение оказывается гораздо более глубоким и потому более простым. Скорость света – это просто скорость, с которой вы должны двигаться, чтобы ваше восприятие времени целиком обращалось в то, что представляется пространством. Большая степень обращения просто невозможна. Пространство не оказывает информации никакого вязкого сопротивления: предельная скорость есть просто особенность нашего восприятия самих пространства и времени.

Но почему скорость света имеет именно такое значение (ровно 299 792 458 м/с, около 670 миллионов миль в час)? Объяснение лежит в сфере человеческой бюрократии и сводится к тому факту, что мы договорились измерять длину в метрах, а не в секундах. Когда впервые зашла речь об определении метра, делались различные предложения (это было в 1790 году, когда французские революционеры рьяно стремились рационализировать примерно все, в том числе и аристократию). Одной из первых идей было считать его одной десятимиллионной долей расстояния от Северного полюса до экватора, если следовать вдоль меридиана, выбранного – из дипломатических, а не разумных соображений – более или менее посередине между Парижем и Вашингтоном, столицами молодых республик, к которым принадлежали авторы этого предложения. К несчастью, при таком выборе эталонного расстояния оказалось, что оно начинается и заканчивается в море. Компромиссы пришлось отбросить – эталонный меридиан прошел через Париж. Для удобства распространения нового стандарта и оповещения о нем был изготовлен первичный эталон длины в виде металлического стержня.

С тех пор стало известно, что Земля «дышит» – ее очертания меняются и, следовательно, опорное расстояние не постоянно. Значит, непостоянной оказалось и выбранное значение метра, и было принято более точное и неизменное его определение. Сейчас метр определен как 1/299 792 458 расстояния, которое свет проходит (в вакууме) за одну секунду. Получается, что все меры длины на деле являются мерами времени. Например, если ваш рост составляет 1,7 метра, значит, его можно записать как 1,7/299 792 458 секунды, или 5,7 наносекунды. Хоть свет и проходит 299 792 458 метров за одну секунду, это расстояние можно выразить как 299 792 458/299 792 458 секунды, то есть 1 секунду. Так какова же скорость света? Если он проходит расстояние в 1 секунду за 1 секунду, то его скорость (расстояние, деленное на время) равна 1. И никаких единиц – просто 1. Если ваша машина едет со скоростью 100 километров в час (около 28 м/с), вы можете сообразить, что в действительности ваша скорость составляет всего 0,000 000 093. При таких низких скоростях вы, очевидно, можете пренебречь релятивистскими эффектами и быть совершенно уверены, что ваше пространство не обратилось в похожее на него время (как это, по моей оценке, происходило, когда вы проносились мимо со скоростью света). В этой ситуации у нас не должно возникнуть разногласий – по крайней мере, при разумной точности измерений, – насчет того, одновременны ли два события.

Надеюсь, теперь вы можете согласиться: c = 1. Прежнее выражение этой скорости большим количеством метров в секунду, выглядевшее привычным, оказывается просто исторической случайностью: по вполне понятным и разумным причинам общество измеряло расстояние и время в разных единицах. Стоит начать измерять их в одних и тех же единицах, и фундаментальная постоянная первостепенной важности бесследно исчезает. С этих пор, когда бы мне ни понадобилось говорить о длине L, до сих пор по общему согласию измерявшейся в метрах, я буду обозначать ее L† – этот крестик