Глава 4. Время — штука личная
Время идет различным шагом с различными людьми.
Скажите «ученый» — и большинство людей сразу же вспомнят Эйнштейна. Альберт Эйнштейн — фигура культовая; многим ли физикам-теоретикам удавалось достичь такой степени известности, что их лица начинали печатать на футболках? Однако Эйнштейн — знаменитость далекая, пугающая. Большинство из тех, кто считает это имя знакомым, затрудняются назвать его конкретные достижения,[54] в отличие, например, от успехов Тайгера Вудса.[55] Нам всем знаком образ Эйнштейна как неуклюжего рассеянного профессора в мешковатом свитере и с всклокоченными волосами — образ человека, полностью посвятившего себя науке и равнодушного ко всему земному. А его работы — рассуждения об эквивалентности массы и энергии, искривлении пространства и времени и поиске окончательной теории — являют для нас вершину абстракции, бесконечно удаленную от каждодневных бытовых проблем.
Настоящий Эйнштейн куда интереснее этого устоявшегося образа. Во-первых, всклокоченный вид и прическа, как у Дона Кинга, стали фирменным стилем Эйнштейна уже в более позднем возрасте — вы вряд ли узнали бы знаменитого ученого в опрятном и ухоженном молодом человеке с пронзительным взором, не раз перевернувшем физику с ног на голову в начале XX века.[56] Во-вторых, теория относительности родилась не из пустых рассуждений о природе пространства и времени; ее источники кроются в абсолютно практичных задачах доставки людей и груза в правильное место в правильное время.
Рис. 4.1. Альберт Эйнштейн в 1912 году. «Удивительным годом» для него стал 1905 год, а исследования по общей теории относительности дали первые ощутимые результаты в 1915 году
Специальная теория относительности, объясняющая, каким образом скорость света может быть одной и той же для любых наблюдателей, появилась в самом начале XX века благодаря усилиям сразу нескольких исследователей. (Авторство общей теории относительности, которая интерпретирует гравитацию как результат искривления пространства—времени, практически всецело принадлежит Эйнштейну.) Крупнейший вклад в развитие специальной теории относительности внес французский математик и физик Анри Пуанкаре. Несмотря на то что именно Эйнштейн поставил окончательную точку, приняв, что «время», измеряемое любым движущимся наблюдателем, ничем не хуже «времени», измеряемого любым другим наблюдателем, оба ученых в своих исследованиях относительности пришли к очень похожим формальным выводам.[57]
Историк Питер Галисон в своей книге «Часы Эйнштейна, карты Пуанкаре: империя времени» («Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps: Empires of Time») излагает доводы в пользу того, что и на исследования Эйнштейна, и на исследования Пуанкаре одинаково повлияли как эзотерические размышления об архитектуре физики, так и обычные земные профессии ученых.[58] Эйнштейн в то время работал патентным клерком в Швейцарии, в Берне, где основной задачей считалось создание точных часов. Между европейскими городами вырастала сеть железных дорог, и решение проблемы синхронизации часов на больших расстояниях представляло огромный коммерческий интерес. Пуанкаре, будучи на два десятилетия старше, служил президентом французского Бюро долгот. Развитие морских перевозок и водных торговых путей требовало более точных методов определения долготы при нахождении в открытых водах — как для ориентирования отдельных кораблей, так и для составления точных карт.
И вот мы имеем то, что имеем: карты и часы. Пространство и время. В частности, теперь мы знаем, что важные вопросы — вовсе не «Где мы в действительности находимся?» или «Сколько сейчас в действительности времени?», а «Где мы находимся по отношению к другим объектам?» и «Какое время показывают наши часы?». Жесткое, абсолютное пространство и время ньютоновской механики превосходно согласуются с нашим интуитивным пониманием мира; теория относительности же требует перейти на совершенно иной уровень абстракции. Физикам, работавшим в начале прошлого столетия, удалось сделать этот критически важный шаг. Они поняли, что не следует пытаться запихнуть мир в рамки, навязываемые нашей интуицией, а нужно серьезно отнестись к тому, что поддается измерению реальными приборами.
Специальная теория относительности и общая теория относительности формируют основу современного представления о пространстве и времени, и в этой главе мы попробуем разобраться, что же скрывается за составляющей «время» в «пространстве—времени».[59] Мы постараемся ненадолго забыть и об энтропии, и о втором начале термодинамики, и о стреле времени, найдя прибежище в чистом, точном мире фундаментально обратимых законов физики. И все же без уверенного понимания теории относительности и понятия пространства—времени нам не удастся найти окончательное объяснение такого явления, как стрела времени.
Потерянные в пространстве
В дзэн-буддизме существует такая концепция, как «сознание начинающего»: состояние, в котором человек свободен от любых предрассудков и готов принимать мир таким, какой он есть. Можно долго спорить, реально ли достичь такого состояния и есть ли вообще смысл пытаться, однако сама концепция может оказаться весьма полезной при знакомстве с теорией относительности. Так что давайте забудем все, что, как нам кажется, мы знаем о времени во Вселенной, и проведем несколько мысленных экспериментов (о результатах которых нам известно на основании реальных опытов). Наша цель — понять, что нового теория относительности может сказать про время.
Для этого представьте себе, что мы находимся внутри космического корабля, свободно парящего в космическом пространстве и не подверженного влиянию никаких звезд или планет. Мы обеспечены всеми необходимыми запасами: у нас есть вода, воздух и предметы первой необходимости. Кроме того, на борту имеется простейшее оборудование для проведения научных экспериментов в виде блоков, весов и т. п. Единственное ограничение — мы не можем выглянуть наружу и посмотреть на вещи, находящиеся за пределами корабля. В нашем эксперименте мы будем считать, что корабль оборудован различными датчиками, расположенными внутри и снаружи корабля.
Прежде всего, давайте подумаем, что мы можем узнать, находясь внутри корабля. У нас есть пульт управления, и мы можем вращать судно вокруг любой оси. Также мы можем запустить двигатели и переместиться в любом желаемом направлении. Итак, мы проводим время, вращая корабль в разные стороны и перемещаясь туда-сюда, не зная и не особо беспокоясь о том, в каком направлении мы движемся, и проводя заодно разнообразные эксперименты.
Рис. 4.2. Изолированный космический корабль. Слева направо: свободное падение, ускорение, вращение
Что мы можем узнать? Очевидно, что нам не составляет труда заметить ускорение корабля. Когда он движется без ускорения, наша любимая обеденная вилка невесома и свободно парит в воздухе. Однако как только мы запускаем двигатели, она падает вниз, где под «низом» понимается «направление, противоположное тому, в котором корабль ускоряется».[60] Если мы еще поэкспериментируем, то сможем даже научиться распознавать вращение космического корабля. В этом случае предмет сервировки, расположенный точно на оси вращения, продолжает свободно парить на одном месте; однако любые предметы, находящиеся на периферии, «притягиваются» к корпусу корабля и остаются там.
Таким образом, определенные сведения о состоянии корабля мы можем узнавать экспериментально, с помощью несложных опытов внутри судна. Тем не менее есть также вещи, которые мы понять попросту не можем. Например, мы не знаем, где находимся. Скажем, мы проводим несколько экспериментов внутри нашего неускоряющегося, невращающегося корабля. Затем мы включаем двигатели, куда-то стремительно переносимся и снова выключаем, — и вот мы опять в неускоряющемся и невращающемся корабле и можем повторить предыдущие эксперименты. При условии, что у нас есть хоть малейшие навыки проведения физических экспериментов, мы получим точно такие же результаты. Если мы потрудились записать величину ускорения и продолжительность работы двигателей, то, возможно, сумеем вычислить расстояние, на которое переместился корабль; однако, прибегая исключительно к локальным экспериментам, мы при всем желании не сможем отличить одно местоположение от другого.
Аналогично, нам не под силу отличить одну скорость от другой. Как только мы выключаем двигатели, корабль снова начинает свободно парить в пространстве, и совершенно неважно, какую скорость он успел набрать; необходимости замедляться нет. И ориентацию корабля мы тоже определить не можем — в пустынных бескрайних просторах межзвездного пространства все направления одинаковы. Можно понять, вращается судно или нет; однако если включить подходящие направляющие двигатели (или использовать соответствующие бортовые гироскопы) и прекратить вращение, то никакой локальный эксперимент не позволит нам определить угол, на который успел повернуться корабль.
Эти простые выводы открывают нам сокровенные тайны процессов, происходящих в реальном мире. Любые манипуляции, которые мы совершаем с нашим аппаратом, при условии, что они не влияют на результаты экспериментов, — мы меняем его местоположение, поворачиваем, заставляем двигаться с постоянной скоростью, — отражают симметрию законов природы. Принципы симметрии в физике играют важнейшую роль: именно они накладывают строгие ограничения на то, какую форму могут принимать законы природы и какого типа экспериментальные результаты мы можем получать.
Разумеется, у обнаруженных нами видов симметрии есть свои названия. Изменение местоположения объекта в пространстве называется «переносом», изменение ориентации в пространстве — это «поворот», а изменение скорости движения сквозь пространство — «буст». В контексте специальной теории относительности набор поворотов и бустов называется преобразованиями Лоренца, а полный комплект, включающий переносы, — преобразованиями Пуанкаре.
Главная идея, лежащая в основе этих преобразований симметрии, высказывалась учеными задолго до появления специальной теории относительности. Еще Галилео утверждал, что законы природы должны быть инвариантными относительно того, что мы сегодня называем переносами, поворотами и бустами. Даже без теории относительности, если бы Галилео и Ньютон оказались правы в своих утверждениях о законах механики, мы все равно были бы не в состоянии определять положение, ориентацию и скорость, находясь в изолированном свободно движущемся космическом корабле. Различие между теорией относительности и представлениями Галилео лежит лишь в области того, что происходит, когда мы перемещаемся в систему координат движущегося наблюдателя. Волшебство относительности заключается в том, что у изменения скорости много общего с изменением пространственной ориентации; буст — всего лишь пространственно-временная версия поворота.
Прежде чем начинать разбираться с этим, давайте остановимся на мгновение и спросим себя: а могли бы законы физики работать по-другому? Например, выше мы утверждаем, что абсолютное положение объекта не поддается определению — и абсолютная скорость тоже, однако абсолютное ускорение вполне измеримо.[61] Можно ли вообразить мир с такими физическими законами, в котором невозможно оценить абсолютное положение, однако абсолютная скорость поддается объективному измерению?[62]
Это совсем несложно. Представьте себе, что вы движетесь сквозь неподвижную среду, такую как воздух или вода. Если бы мы жили в бескрайнем водоеме, то нам не к чему было бы привязать свое местоположение, однако мы могли бы без труда измерять свою скорость по отношению к воде. Можно было бы даже предположить, что окружающее пространство тоже напитано подобной средой.[63] В конце концов, еще Максвелл в своих работах по изучению электромагнетизма доказал, что свет — это всего лишь тип волны. А если есть волна, вполне естественно думать, что есть и среда для ее распространения. Например, чтобы распространялся звук, нужен воздух — в космосе никто не услышит ваш крик. Однако свет успешно распространяется в безвоздушном пространстве, значит (следуя этой логике, которая окажется в итоге ошибочной), и там существует какая-то среда, сквозь которую он перемещается.
Таким образом, физики конца XIX века считали, что электромагнитные волны распространяются сквозь невидимую, но играющую невообразимо важную роль среду, которой они дали название «эфир». И ученые-экспериментаторы поставили себе целью найти доказательства существования этой субстанции. Однако они потерпели поражение, а их неудача подготовила почву для специальной теории относительности.
Ключ к относительности
Представьте, что мы снова вернулись в космическое пространство, но на этот раз взяли с собой более изощренное оборудование для проведения экспериментов. В частности, у нас есть впечатляющая штуковина, сделанная по последнему слову лазерной техники и умеющая измерять скорость света. Для того чтобы откалибровать устройство, мы в свободном падении (без ускорения) проверяем, будет ли скорость света всегда одной и той же независимо от направления. Все правильно, это действительно так. Инвариантность относительно выбора направления — неотъемлемое свойство распространения света, как мы и подозревали.
Теперь пробуем измерить скорость света при движении с разными скоростями. Для этого мы проведем один тест, затем ненадолго включим двигатели и снова выключим их, чтобы набрать постоянную скорость относительно первоначального движения, и после этого повторим эксперимент. Поразительно — какую бы скорость мы ни набрали, значение скорости света, получаемое в результате измерений, всегда остается одинаковым. Если бы действительно существовала эфирная среда, сквозь которую свет распространялся бы так же, как звук распространяется по воздуху, то в зависимости от того, с какой скоростью по отношению к эфиру мы движемся, мы бы получали разные результаты. Однако этого не происходит. Можно было бы предположить, что свет получает какой-то толчок вследствие того, что источник его находится внутри движущегося космического судна. Для того чтобы проверить это, мы поднимем шторки на окнах и позволим проникнуть внутрь свету из внешнего мира. Однако измерение скорости света, источник которого находится снаружи, снова дает тот же результат: скорость света не зависит от скорости нашего космического корабля.
На практике этот эксперимент был выполнен в 1887 году Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли. За неимением космического корабля с мощным двигателем они воспользовались лучшим, что у них было: движением Земли вокруг Солнца. Орбитальная скорость Земли составляет около 30 километров в секунду, так что зимой ее полная скорость примерно на 60 километров в секунду отличается от ее скорости летом, когда Земля движется в обратном направлении. Не так много по сравнению со скоростью света, которая равна примерно 300 000 километров в секунду, однако Майкельсон сконструировал хитроумное устройство, известное под названием интерферометра, чрезвычайно чувствительное к малейшим изменениям скорости в разных направлениях. Ученые получили тот же самый ответ, к которому пришли мы в своем мысленном эксперименте: скорость света всегда одна и та же, независимо от того, насколько быстро мы движемся.
Научные достижения редко бывают простыми и однозначными, и как правильно интерпретировать результат эксперимента Майкельсона—Морли, ученые также догадались не сразу. А вдруг Земля тянет за собой эфир, из-за чего наша относительная скорость оказывается совсем небольшой? После некоторого неистового теоретизирования с метанием от одной идеи к другой физики все же пришли к выводу, который сегодня считается единственно верным: скорость света представляет собой универсальную константу. Для любого наблюдателя скорость света всегда одна и та же, независимо от того, с какой скоростью он сам двигался при проведении измерений.[64] Всю суть специальной теории относительности можно свести к двум основным принципам:
• никакие локальные эксперименты не позволяют отличить наблюдателей, движущихся с постоянными скоростями;
• скорость света одинакова для всех наблюдателей.
Используя выражение «скорость света», мы неявно подразумеваем, что речь идет о скорости, с которой свет движется через пустое пространство. Ничуть не сложно заставить свет двигаться с другой скоростью — нужно всего лишь поместить на его пути прозрачную среду. Сквозь стакан с водой свет проходит медленнее, чем сквозь пустое пространство, однако это ничего особенного о законах физики не говорит. Действительно, в этой пьесе главную роль играет не свет как таковой. Для нас важнее всего то, что в пространстве—времени существует некоторая специальная скорость — просто так получилось, что свет распространяется с этой скоростью в пустом пространстве. Ключевой момент — это существование предела скорости, а не способность света двигаться настолько быстро.
Необходимо остановиться и осознать, насколько это все удивительно. Предположим, вы находитесь в космическом корабле, а ваш друг, также путешествующий в космосе, сигналит вам фонариком из иллюминатора своего космического судна. Вы измеряете скорость света от фонарика и видите, что она равна 300 000 километров в секунду. Затем включаете двигатели и начинаете ускоряться навстречу другу, пока не достигаете скорости 200 000 километров в секунду. Вы снова измеряете скорость света, излучаемого фонариком, и снова получаете тот же результат: 300 000 километров в секунду. Безумие какое-то! Любой человек в здравом уме ожидал бы, что результат будет равен 500 000 километров в секунду. Что же происходит?
Ответ, согласно специальной теории относительности, заключается в том, что от системы отсчета зависит не скорость света, а то, что мы понимаем под «километром» и «секундой». Когда мимо нас на большой скорости проносится линейка, мы наблюдаем эффект «сокращения длины» — кажется, что она короче такой же линейки, находящейся в покое относительно нашей системы координат. Аналогичным образом, если мимо нас на большой скорости проносятся часы, для них происходит «растяжение времени» — кажется, что они идут медленнее часов, находящихся в покое. Действуя совместно, эти явления точно компенсируют любое относительное движение, поэтому для любого наблюдателя скорость света всегда остается одной и той же.[65]
Существует важное следствие инвариантности скорости света: ничто не может двигаться быстрее света. Доказать это довольно просто; представьте, что вы в ракете пытаетесь перегнать свет, излучаемый фонариком. В начальный момент времени ракета неподвижна (в нашей системе координат), а свет движется со скоростью 300 000 километров в секунду. Затем ракета изо всех сил ускоряется, набирая колоссальную скорость. Когда команда ракеты измеряет скорость света от фонарика (теперь находящегося на большом удалении), они убеждаются, что свет все так же распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду. Что бы они ни делали, как бы сильно и долго ни ускорялись, свет все равно движется быстрее, и его относительная скорость всегда одна и та же.[66] (В их системе отсчета, конечно. С точки зрения внешнего наблюдателя скорость ракеты постепенно приближается к скорости света, но никогда не достигает ее.)
Несмотря на то что сокращение длины и растяжение времени прекрасно согласуются со специальной теорией относительности, обычных людей эти явления могут ввести в заблуждение. Когда мы говорим о «длине» какого-то физического объекта, мы имеем в виду, что объект надо измерить от одного конца до другого. Но при этом мы подразумеваем, что измерение должно производиться одномоментно. (Если вы отметите на стене уровень пола, а затем вскарабкаетесь на стремянку и сделаете вторую отметку на уровне головы, то не сможете утверждать, что расстояние между двумя метками отражает ваш реальный рост.) Однако дух специальной теории относительности говорит нам, что не следует делать никаких заявлений относительно удаленных друг от друга событий, происходящих одновременно. Значит, давайте подойдем к проблеме с другой стороны и разложим по полочкам все, что знаем о таком понятии, как пространство—время.
Пространство—время
Снова возвращаемся на космический корабль. На этот раз, однако, мы не ограничены экспериментами внутри изолированного корабля — у нас есть небольшой флот автоматических исследовательских аппаратов, оснащенных собственными двигателями и навигационными компьютерами. Мы можем программировать эти зонды, для того чтобы отправлять их наружу в полет и возвращать обратно. На каждом зонде также установлены очень точные атомные часы. Мы начинаем с того, что тщательно синхронизируем часы на всех исследовательских аппаратах с часами на нашем главном бортовом компьютере и проверяем, что все часы идут синхронно, не отставая и не забегая вперед.
Затем мы отправляем несколько зондов в окружающее пространство. Они должны полетать некоторое время и вернуться на борт. Когда машины возвращаются, мы сразу же замечаем, что показания установленных на них часов расходятся с данными бортового компьютера. Поскольку это мысленный эксперимент, мы уверены, что рассинхронизация произошла не из-за космических лучей, ошибки в программе или проделок шаловливых инопланетян, — для зондов действительно прошел другой период времени.
К счастью, это необычное явление легко объясняется. Время, которое показывают часы, — это не какая-то абсолютная величина, единая для всей Вселенной. Его нельзя измерить раз и навсегда, как расстояние между ярдовыми линиями на поле для американского футбола. Измеряемое часами время зависит от конкретной траектории перемещения этих часов — точно так же игрок может пересечь поле разными способами по траекториям разной длины. Вместо того чтобы засылать исследовательские аппараты, оборудованные часами, в космос, мы могли бы с наземной базы отправить колесных роботов покататься по округе. Во втором случае никто не удивится, увидев по возвращении на одометрах разных роботов разные значения. Суть в том, что часы похожи на одометры. Оба типа устройств предназначены для измерения пройденного пути (сквозь время или сквозь пространство) по определенной траектории.
Рис. 4.3. Время, измеренное зондами, которые покинули корабль и вернулись на него по разным траекториям, меньше, чем время, измеренное бортовыми часами космического корабля
Если часы — это аналог одометра, то время должно быть аналогом пространства. Вспомните, что до формулировки специальной теории относительности, если мы верили в абсолютное пространство и время а-ля Исаак Ньютон, ничто не мешало нам объединить их в единую сущность под названием «пространство—время». И для того чтобы обозначить любое событие во Вселенной, нам, как и сегодня, требовалось охарактеризовать его четырьмя числами (три из них задают положение в пространстве, а четвертое — во времени). Однако в ньютоновском мире пространство и время считались независимыми. Имея два индивидуальных события, например «выход из дома в понедельник утром» и «приход на работу чуть позднее тем же утром», мы могли совершенно независимо (и однозначно, не боясь двусмысленности) обсуждать расстояние между этими двумя событиями и время, прошедшее между ними. Специальная теория относительности утверждает, что это неправильно. Нельзя считать отдельными и независимыми такие вещи, как «расстояние в пространстве», измеряемое одометром, и «продолжительность во времени», измеряемую часами. Правильно говорить лишь об интервале в пространстве—времени, разделяющем два события. Он соответствует обычному расстоянию, если события разделены в основном пространственно, и продолжительности, измеряемой часами, если события разнесены в основном по времени.
Однако чем определяется это «в основном»? Скоростью света. Скорость измеряется в километрах в секунду или в любых других единицах расстояния в единицу времени; следовательно, существование особой скорости, зависящей исключительно от законов природы, помогает связать пространство и время. Когда вы перемещаетесь со скоростью, не превышающей скорость света, вы движетесь в основном сквозь время; если бы вы могли превысить скорость света (что у вас вряд ли получится), то вы двигались бы в основном сквозь пространство.
Давайте конкретизируем некоторые детали. Изучая показания часов на исследовательских аппаратах, мы замечаем, что, несмотря на разницу в показаниях, у всех у них есть одна общая особенность: они показываю время меньшее, чем время на стационарных часах с главного космического корабля. Это поразительно! Ведь только что мы говорили, что время аналогично пространству, а часы отражают путь, проделанный сквозь пространство—время. В старом добром пространстве произвольные перемещения туда-сюда всегда делают путь длиннее; кратчайшее расстояние между двумя точками в пространстве — это всегда прямая линия. Если наши часы говорят правду (а они не врут), то получается, что движение без ускорения (если угодно, прямая линия сквозь пространство—время) соответствует самому долгому периоду времени между двумя событиями.
А чего вы ожидали? Время во многом похоже на пространство, однако очевидно, что оно не повторяет его во всех мелочах (можно не опасаться, что какой-нибудь автомобильный навигатор попросит вас выполнить левый поворот во вчера). Даже не учитывая вопросы энтропии и стрелы времени, мы сумели открыть фундаментальную особенность, отличающую время от пространства: лишнее движение уменьшает время, проведенное между двумя событиями в пространстве—времени, но увеличивает расстояние, пройденное между двумя точками в пространстве.
Если перед нами стоит задача переместиться в пространстве из одной точки в другую, то мы можем сделать фактический путь до цели сколь угодно длинным, всего лишь описав кучу произвольных петель (или сделав несколько кругов, прежде чем выдвигаться к точке назначения). Однако рассмотрим случай перемещения между двумя событиями в пространстве—времени конкретными точками в пространстве в конкретные моменты времени. Если двигаться по «прямой линии» — все время перемещаться с постоянной скоростью без ускорения, то мы затратим на путешествие максимально возможное время. Но если заняться прямо противоположным — начать носиться туда-сюда со всей возможной скоростью, не забыв, однако, прибыть в точку назначения в строго определенное время, то продолжительность нашего путешествия окажется гораздо меньше. Если мы научимся перемещаться со скоростью, в точности равной скорости света, то какие бы петли мы ни выписывали, у нас это не будет занимать вообще никакого времени. Разумеется, это недостижимо, однако в наших силах подойти к этому рубежу бесконечно близко.[67]
Как раз в этом смысле время и похоже на пространство: пространство—время является обобщением понятия пространства с еще одним, временным, измерением, свойства которого слегка отличаются от свойств пространственных измерений. В повседневной жизни мы с этим не сталкиваемся, так как передвигаемся со скоростью намного ниже скорости света. А двигаясь с низкой — намного меньше скорости света — скоростью, мы ведем себя как защитник в американском футболе, который шагает строго вдоль футбольного поля, никогда не отклоняясь от прямой линии влево или вправо. Для такого игрока «пройденный путь» идентичен «набранному количеству ярдов», без всяких двусмысленностей. Именно так время проявляет себя в нашей повседневной жизни: поскольку мы и все наши друзья перемещаемся со скоростью, даже близко не приближающейся к скорости света, мы естественным образом считаем время универсальной характеристикой Вселенной, не задумываясь о том, что это всего лишь способ оценки длины пространственно-временного интервала вдоль конкретных траекторий.
Оставаясь в своем световом конусе
В качестве одного из приемов, помогающих понять, как работает пространство—время согласно специальной теории относительности, можно использовать карту. Изобразите пространство и время и укажите, куда у вас есть возможность переместиться. Давайте для разминки начертим схему ньютоновского пространства—времени. Поскольку ньютоновские пространство и время абсолютны, мы на своей карте уникальным образом определим «моменты постоянного времени». Возьмем четыре измерения пространства и времени и порежем их на уникальные трехмерные экземпляры пространства в определенные моменты времени, как показано на рис. 4.4. (На странице книги мы можем рисовать лишь двумерные картинки; используйте свое воображение и представьте себе на каждом срезе мгновенный снимок трехмерного пространства.) Принципиально то, что ни у кого не возникает возражений относительно различий между пространством и временем; здесь нет никакого произвола.
Каждый ньютоновский объект (человек, атом, космический корабль) определяет мировую линию — путь, по которому этот объект движется сквозь пространство—время (даже когда вы сидите абсолютно неподвижно, вы все равно путешествуете через пространство—время, ведь вы непрерывно стареете, не так ли?[68]). И эти мировые линии подчиняются строгому правилу: пройдя через какой-то момент во времени, они не могут сделать пол-оборота назад и пройти через тот же самый момент второй раз. Ваша скорость может быть сколь угодно высокой — сейчас вы здесь, а секунду спустя уже на расстоянии миллиарда световых лет, но вы обязаны двигаться во времени только вперед, и ваша мировая линия пересекает каждый момент в точности один раз.
Рис. 4.4. Ньютоновские пространство и время. Вселенная нарезана на моменты постоянного времени, однозначно разделяющие время на прошлое и будущее. Мировые линии реальных объектов никогда не смогут вернуться назад по своим следам и пережить какой-то момент времени более одного раза
В теории относительности все совсем не так. На смену ньютоновскому правилу «вы обязаны двигаться вперед во времени» приходит новое правило: вы обязаны двигаться со скоростью меньше скорости света. (Если только вы не фотон или другая безмассовая частица; в таком случае ваша скорость в пустом пространстве всегда в точности совпадает со скоростью света.) А структура, в которую мы выше облекли ньютоновское пространство—время (набор слоев, представляющих уникальные моменты времени), заменяется структурой нового вида: световыми конусами.
Рис. 4.5. Пространство—время вблизи определенного события x. Согласно теории относительности, у каждого события есть световой конус, объединяющий все возможные пути, по которым свет мог бы прийти к этой точке или покинуть ее. События за пределами такого конуса невозможно однозначно отнести к «прошлому» или к «будущему»
Концептуально световые конусы довольно просты. Возьмите событие — одиночную точку в пространстве—времени — и вообразите всевозможные пути, которыми свет мог добраться до этого события или покинуть его; эти пути и образуют световой конус, связанный с данным событием. Гипотетические лучи света, исходящие из события, определяют световой конус будущего, а лучи, приходящие к событию, соответствуют световому конусу прошлого. Говоря «световой конус», мы имеем в виду оба этих конуса. Правило, гласящее, что вы не можете двигаться со скоростью, превышающей скорость света, эквивалентно заявлению о том, что ваша мировая линия не должна выходить за пределы световых конусов тех событий, через которые она проходит. Мировые линии, подчиняющиеся этому правилу и описывающие объекты со скоростями, не превышающими скорость света, называются времениподобными. Если каким-то образом вам удалось бы превысить скорость света, то ваша мировая линия стала бы «пространственноподобной», так как располагалась бы больше вдоль пространства, чем времени. Мировую линию объекта, движущегося в точности со скоростью света, можно назвать «светоподобной».
В ньютоновском пространстве—времени можно, начиная с одиночного события, определить поверхность постоянного времени, однозначно рассекающую Вселенную на две части. Для этого необходимо набор всех событий разделить на события в прошлом и в будущем (плюс «одновременные» события, расположенные точно на поверхности). В мире, подчиняющемся теории относительности, это невозможно. Световой конус, связанный с событием, разделяет пространство—время на прошлое данного события (события внутри светового конуса прошлого), будущее данного события (события внутри светового конуса будущего), сам световой конус и набор точек за его пределами, не относящихся ни к прошлому, ни к будущему.
Рис. 4.6. Световые конусы приходят на замену моментам постоянного времени из ньютоновского пространства—времени. Мировые линии массивных частиц должны приходить в событие через световой конус прошлого, а покидать его через световой конус будущего — это времениподобный путь. Пространственноподобные пути соответствуют движению быстрее света и, следовательно, недопустимы
Обычно окончательно запутывает людей именно этот, последний фрагмент. Подсознательно основываясь на ньютоновском способе мышления о мире, мы считаем, что события либо случились в прошлом, либо произойдут в будущем, либо происходят одновременно по отношению к некоторому событию на нашей собственной мировой линии. В мире теории относительности события, разделенные пространственноподобным интервалом (то есть находящиеся за пределами световых конусов друг друга) невозможно отнести ни к одной из перечисленных категорий. При желании мы могли бы по своему усмотрению начертить несколько поверхностей, рассечь ими пространство—время и обозначить их как поверхности постоянного времени. Это позволило бы использовать время как координаты в пространстве—времени (вспомните обсуждение в главе 1). Однако результат отражал бы наш личный выбор, а не реальные особенности Вселенной. В теории относительности понятие «одновременных удаленных событий» просто не имеет смысла.[69]
Когда вы рисуете карту пространства—времени, аналогичную изображенной на рис. 4.6, кажется естественным добавить на чертеж вертикальную ось, обозначенную «время», и горизонтальную (или даже две), обозначенную «пространство». Свою версию мы умышленно нарисовали без обозначения каких-либо осей. Смысл пространства—времени в общей теории относительности в том и заключается, что в нем отсутствует фундаментальное разделение на «время» и «пространство». Световые конусы, устанавливающие границы возможного прошлого и будущего для каждого события, не появляются дополнительно к ньютоновскому разделению пространства—времени на время и пространство; они полностью заменяют собой эту структуру. Время можно измерять вдоль каждой отдельной мировой линии, но недопустимо считать его неотъемлемым свойством всего пространства—времени.
С нашей стороны было бы безответственно продолжать обсуждение, не уделив особого внимания еще одному различию между временем и пространством: у времени только одно измерение, тогда как пространство трехмерно.[70] Мы не можем точно сказать, почему это так. Я имею в виду, что мы еще недостаточно глубоко понимаем фундаментальные законы физики, для того чтобы с уверенностью говорить о существовании причин, по которым у времени не может быть более одного измерения или, если уж на то пошло, почему их не может быть ноль. Мы знаем только, что жизнь была бы совсем другой, если бы у времени было несколько измерений. При наличии единственного измерения физическим объектам (движущимся по времениподобным путям) не остается ничего другого, кроме как перемещаться в единственно возможном направлении. Если бы измерений было несколько, не было бы ничего, что заставило бы нас двигаться вперед во времени; мы могли бы, например, ходить кругами. Остается открытым вопрос, можно ли в этом случае построить согласованную физическую теорию, но наша жизнь точно была бы совершенно иной.
Самое знаменитое уравнение Эйнштейна
Опубликованная в 1905 году основная статья Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», в которой он изложил принципы специальной теории относительности, заняла тридцать страниц в Annalen der Physik, ведущем немецком научном журнале того времени. Вскоре после этого ученый опубликовал двухстраничную статью под заголовком «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?»,[71] в которой указывал на очевидный, но интересный вывод из первой, более длинной работы: энергия объекта, находящегося в покое, пропорциональна его массе. (Понятия «масса» и «инерция» здесь взаимозаменяемы.) По сути, в этом и состоит идея, несомненно, самого знаменитого уравнения в истории:
E = mc2.
Постараемся как следует осмыслить это уравнение, ведь зачастую его понимают не совсем верно. Множитель c2 — это, разумеется, скорость света в квадрате. Заметив в уравнении скорость света, физики сразу подумают: «Ага! Значит, здесь не обошлось без теории относительности». Множитель m — это масса рассматриваемого объекта. В некоторых источниках вы можете прочитать о «релятивистской массе», которая увеличивается, когда объект находится в движении, но это не самая удобная характеристика. Лучше считать m единственной и постоянной массой объекта, которой тот обладает в состоянии покоя. Наконец, E — это не совсем «энергия». В данном уравнении эта величина обозначает энергию покоящегося объекта. Если объект начнет движение, его энергия, конечно же, возрастет.
Таким образом, знаменитое уравнение Эйнштейна утверждает, что энергия объекта, находящегося в покое, равна произведению массы данного объекта на квадрат скорости света. Обратите внимание на, казалось бы, безобидный термин «объект». В мире есть не только объекты. Например, мы уже упоминали темную энергию, ответственную за ускорение Вселенной. Непохоже, чтобы она представляла собой множество частиц или других объектов; темная энергия равномерно наполняет пространство—время. Поэтому если речь идет именно о темной энергии, уравнение E=mc2 неприменимо. Аналогично, некоторые объекты (такие, как фотоны) попросту не могут находиться в состоянии покоя, так как они всегда перемещаются со скоростью света. В таких случаях уравнение Эйнштейна также неприменимо.
Каждому известен практический смысл данного уравнения: даже небольшой объем вещества, обладающего массой, эквивалентен огромному запасу энергии (по сравнению со значениями, с которыми мы имеем дело в обычной жизни, скорость света — огромное число). Существует много разных форм энергии, и специальная теория относительности утверждает, что масса — это одна из форм, которую может принимать энергия. Энергия может переходить из одной формы в другую и обратно, и это происходит постоянно. Область применения формулы E = mc2 не ограничивается покрытыми тайнами сферами ядерной физики и космологии; она распространяется на все типы покоящихся объектов — хоть на Марсе, хоть в вашей гостиной. Если взять лист бумаги и сжечь его, позволив получившимся фотонам улететь вместе со своим запасом энергии, то оставшийся пепел вместе с другими продуктами горения будет весить чуть меньше (как бы мы ни старались собрать их все), чем исходный лист бумаги плюс участвовавший в горении кислород. E = mc2 — это не только атомные бомбы, это важнейшая характеристика круговорота энергии в окружающем мире.