Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - [15]

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 от позиции наблюдателя. Ни один из наблюдателей не может утверждать, что его угол зрения на пространство и время является более правильным, чем любой другой, ибо, как только мы начнем рассматривать пространство и время в их единстве, мы сразу придем к согласию. Взятые по отдельности, пространство и время носят относительный характер, а вот пространство-время как единое целое – абсолютно.

Рис. 1. События в пространстве-времени: два наблюдателя, А и В, движущиеся с большой скоростью относительно друг друга, видят два события (вспышки света), которые разделены в пространстве и времени. Наблюдатели будут по-разному оценивать расстояние и временной интервал между этими событиями. Это объясняется тем, что они по-разному воспринимают пространство и время. Однако в четырехмерном пространстве-времени (для простоты мы здесь пренебрегли двумя пространственными измерениями) пространственно-временной интервал в обеих системах одинаков: два прямоугольных треугольника имеют общую гипотенузу, хотя катеты – расстояние и интервал времени – у них разные.