Теория относительности показала, что все измерения в пространстве и времени утрачивают абсолютное значение. Важность этого открытия показана в словах Менделя Cакса[155].
Истинно революционное содержание теории Эйнштейна в том, что… она отрицает то, что пространственно-временная система координат существует в виде объективной реальности в качестве физического целого. Теория относительности утверждает, что пространственные и временные координаты — элементы языка, которым пользуется наблюдатель, описывающий мир[156].
Это утверждение физика XX в. показывает близкое сходство представлений о времени и пространстве в современной науке и древней восточной философии, утверждавшей, что пространство и время — «всего лишь названия, формы мышления, общеупотребительные слова».
Поскольку пространству и времени теперь отводится субъективная роль элементов языка, которыми наблюдатель пользуется при описании явлений природы, все люди будет интерпретировать явления по-своему. Чтобы вывести на основании их слов универсальные законы природы, нужно, чтобы законы были преподнесены в форме, которая будет общей во всех системах координат, т. е. для всех наблюдателей, занимающих произвольное положение и находящихся в движении по отношению друг к другу. Это требование, известное как принцип относительности, послужило отправной точкой для всей теории относительности. Интересно, что ее основой стал парадокс, на который Эйнштейн обратил внимание в возрасте 16 лет. Он попытался представить себе, каким бы увидел луч света наблюдатель, продвигающийся к нему со скоростью света, и пришел к выводу, что этот наблюдатель увидел бы электромагнитное поле, двигающееся вперед-назад и не продвигающееся никуда, т. е. не образующее волны. Но такое явление в физике неизвестно. Юный Эйнштейн понял: то, что предстанет для одного наблюдателя знакомым электромагнитным явлением, а именно световой волной, для другого должно оказаться загадкой, противоречащей законам физики. Принять это Эйнштейн не мог. Позже ученый осознал, что принцип относительности можно успешно применить для описания электромагнитных явлений только тогда, когда относительно не только пространство, но и время. Законы механики, которые управляют явлениями, связанными с движением тел, и законы электродинамики, теорию электричества и магнетизма можно будет сформулировать в общих «релятивистских» рамках, которые добавляют время в качестве четвертой (также относительной) координаты к трем пространственным.
Чтобы проверить, удовлетворяет ли описание принципу относительности, т. е. выглядят ли уравнения теории одинаково во всех системах координат, нужно иметь возможность переводить пространственно-временные координаты из одной системы координат в другую. Такие преобразования были хорошо известны и широко использовались в классической физике. На рисунке 19 мы видим пример одного из них. Оно выражается в том, что каждая из двух координат наблюдателя А (горизонтальная и вертикальная, обозначенные линиями со стрелками) может быть представлена в виде комбинации двух координат наблюдателя Б и наоборот. Их точные значения могут быть получены с помощью элементарной геометрии.
В релятивистской физике ситуация иная: к трем пространственным координатам добавляется время — четвертое измерение. Поскольку переход из одной системы координат в другую предусматривает, что каждая координата одной системы выражается в виде комбинации координат в другой, пространственная координата одной системы предстает в общем случае в виде комбинации пространственных координат и времени. Это новая ситуация. Такое преобразование смешивает пространство и время точно определяемым математически образом. Их уже нельзя отделить друг от друга: то, что для одного наблюдателя оказывается пространством, для другого будет соединением пространства и времени. Теория относительности показала, что пространство не трехмерно, а время не самостоятельно. Будучи тесно и неразрывно связаны, они образуют четырехмерный пространственно-временной континуум. Эта концепция была впервые введена Германом Минковским[157] в 1908 г. в его знаменитой лекции.
Взгляды на природу пространства и времени, которые я хочу вам изложить, появились на почве экспериментальной физики, и именно в этом их сила. Они радикальны. Поэтому пространство само по себе, как и время само по себе, обречены на то, чтобы превратиться в тени прошлого. В реальности же они находятся в состоянии некоего единства[158].
Концепции пространства и времени настолько важны в описании природных явлений, что их корректировка меняет всю систему, которую мы используем для описания природы. В ней пространство и время — равноправные неразделимо связанные фундаментальные понятия. В релятивистской физике мы не можем говорить о пространстве, не говоря о времени, и наоборот. Этот новый взгляд необходимо использовать всегда, когда описываемое явление подразумевает наличие сверхвысоких скоростей.
Тесная связь между пространством и временем была хорошо известна в астрономии задолго до создания теории относительности, пусть и в другом контексте. Астрономы и астрофизики имеют дело с очень большими расстояниями, поэтому для них важно, что свету нужно время, чтобы переместиться от наблюдаемого объекта к наблюдателю. Поскольку скорость света конечна, наблюдатель видит не текущее положение небесных тел, а то, каким оно было некоторое время назад. Свет проходит расстояние между Солнцем и Землей за восемь минут. Поэтому, в какой бы момент мы ни взглянули на Солнце, мы всегда увидим его таким, каким оно было восемь минут назад. И мы видим ближайшую к Земле звезду такой, какой она была четыре года назад. А мощные телескопы позволяют нам наблюдать за процессами, которые происходили в других галактиках миллионы лет назад.
Безусловно, конечность скорости света неудобна для астрономов. Но в этом есть и положительная сторона. Астрономы могут наблюдать эволюцию звезд, их скоплений и галактик на всех стадиях, заглядывая в космос и одновременно перемещаясь в прошлое. Явления, происходившие на протяжении миллионов лет, можно сейчас видеть в определенных участках космоса. Поэтому астрономы хорошо знают о большом значении связи пространства и времени. Теория относительности утверждает, что эта связь важна не только для больших расстояний, но и для высоких скоростей. Даже на Земле любое измерение расстояния зависимо от времени, поскольку учитывает условия движения наблюдателя.
Единство пространства и времени вызывает (как было отмечено в предыдущей главе) единство и других основополагающих понятий. В этом и состоит суть релятивизма. Категории, которые в нерелятивистской физике представлялись независимыми, при таком подходе выглядят как разные стороны одной и той же теории. Представление о единстве природы позволяет теории относительности объяснять устройство мира математически элегантно и красиво. За многие годы мы оценили математическое совершенство теории относительности и глубоко изучили ее аппарат. Но она не очень помогла нам в интуитивном восприятии действительности. Мы не можем познать четырехмерное пространство-время, как и все остальные релятивистские понятия, с помощью органов чувств. Когда мы сталкиваемся с явлениями природы, в которых участвуют скорости, близкие к световой, у нас возникают трудности и на интуитивном уровне, и на уровне языка. Например, классическая физика признает, что длины движущегося и покоящегося стержней одинаковы. Теория относительности же обнаружила, что это не соответствует истине. Длина объекта зависит от скорости его движения относительно наблюдателя и изменяется в зависимости от скорости. Вдоль направления движения она уменьшается. Максимальную длину стержень имеет в той системе координат, в которой он покоится, а при увеличении скорости относительно наблюдателя он становится короче. В физике высоких энергий в экспериментах с «рассеиванием», в которых частицы сталкиваются на таких больших скоростях, уменьшение их размеров в соответствии с теорией относительности получает свое крайнее выражение: они сплющиваются и из шаров превращаются в блины.
Важно понимать, что вопрос об «истинной» длине объекта не имеет смысла, как и вопрос об истинной длине вашей тени. Тень — проекция точек трехмерного пространства на двумерную плоскость, и ее длина будет разной при разных углах проекции. А длина движущегося объекта — проекция точек, находящихся в четырехмерном пространстве-времени, в трехмерное, и она будет разной в разных системах координат.
То, что верно для длины объектов, верно и для временных интервалов. Они тоже зависят от системы координат, но, в отличие от расстояний, растут при увеличении скорости движения объекта относительно наблюдателя. При быстром движении часы идут медленнее, время замедляется. Часы могут быть какими угодно: механическими, атомными, даже представлять собой биение человеческого сердца. Если бы один из близнецов отправился в скоростное путешествие в космос, то, вернувшись домой, он оказался бы моложе брата, поскольку все его «биологические часы»: сердцебиение, кровообращение, электромагнитные волны мозга и т. д. — замедлили бы свой ход относительно человека на Земле. Сам путешественник, разумеется, не заметил бы этого и лишь по возвращении обнаружил бы, что его брат стал значительно старше его. Возможно, этот «парадокс близнецов» — самый известный парадокс современной физики. Он жарко обсуждался в научных журналах, и дискуссии продолжаются. Это красноречивое доказательство того, что реальность, описанная теорией относительности, не может быть воспринята и объяснена с помощью привычных понятий.
Замедление хода часов при движении, каким бы невероятным оно ни казалось, находит подтверждение в физике частиц. Большинство субатомных частиц неустойчиво: через некоторое время они превращаются в другие частицы. Многочисленные эксперименты подтвердили, что продолжительность существования неустойчивой частицы зависит от скорости ее движения относительно наблюдателя