Введение
В ньютоновской физике пространство и время имели свои независимые тождества, и никто никогда их не путал. Именно с теорией относительности, созданной в начале 20 века, разговоры о пространстве-времени стали почти неизбежны. В теории относительности уже неверно, что пространство и время имеют отдельные объективные значения. То, что действительно существует, — это пространство-время, и разделение его на пространство и время — просто полезная человеческая условность.
Одна из главных причин, по которой теория относительности считается трудной для понимания, заключается в том, что наша интуиция учит нас думать о пространстве и времени как о отдельных вещах. Мы воспринимаем объекты как протяженные в «пространстве», и это кажется довольно объективным фактом. В конечном счете нам этого достаточно, потому что обычно мы путешествуем в пространстве со скоростями, намного меньшими скорости света, так работает дорелятивистская физика.
Но это несоответствие между интуицией и теорией делает прыжок в пространственно-временную перспективу несколько пугающим. Что еще хуже, представления относительности часто используют восходящий подход — они начинают с наших повседневных представлений о пространстве и времени и изменяют их в новом контексте относительности.
Мы будем немного другими. Наш путь в специальную теорию относительности можно рассматривать как нисходящий, если мы с самого начала серьезно относимся к идее единого пространства-времени и понимаем, что она подразумевает. Нам придется немного пораскинуть мозгами, но результатом станет гораздо более глубокое понимание релятивистской точки зрения на нашу вселенную.
Развитие теории относительности обычно приписывают Альберту Эйнштейну, но он стал краеугольным камнем теоретического здания, которое строилось с тех пор, как Джеймс Клерк Максвелл объединил электричество и магнетизм в единую теорию электромагнетизма в 1860-х годах. Теория Максвелла объясняла, что такое свет — колеблющаяся волна в электромагнитных полях — и, казалось, придавала особое значение скорости, с которой распространяется свет. Идея существования поля сама по себе не была полностью интуитивной для ученых в то время, и было естественно задаться вопросом, что на самом деле «колеблется» в световой волне.
Различные физики исследовали возможность распространения света через среду, которую они назвали светоносным эфиром. Но никто не мог найти никаких доказательств наличия такого эфира, поэтому они были вынуждены изобретать все более сложные причины, по которым это вещество должно быть необнаружимо. Вклад Эйнштейна в 1905 году заключался в том, что он указал на то, что эфир стал совершенно ненужным и что без него мы могли бы лучше понять законы физики. Все, что нам нужно было сделать, это принять совершенно новую концепцию пространства и времени. (Хорошо, это много, но оно того стоило.)
Теория Эйнштейна стала известна как специальная теория относительности или просто специальная теория относительности. В своем основополагающем документе «К электродинамике движущихся тел», он выступал за новые способы мышления о длине и длительности. Он объяснил особую роль скорости света, постулировав, что во Вселенной существует абсолютный предел скорости — скорость, с которой свет движется в пустом пространстве, — и что все будут измерять эту скорость одинаковой. как бы они ни двигались. Чтобы это сработало, ему пришлось изменить наши традиционные представления о времени и пространстве.
Но он не зашел так далеко, чтобы выступать за объединение пространства и времени в единое пространство-время. Этот шаг был оставлен его бывшему университетскому профессору Герману Минковски в начале 20 века. Арена специальной теории относительности сегодня известна как пространство-время Минковского.
Как только у вас появится представление о пространстве-времени как о едином четырехмерном континууме, вы сможете начать задавать вопросы о его форме. Является ли пространство-время плоским или искривленным, статичным или динамичным, конечным или бесконечным? Пространство Минковского плоское, статичное и бесконечное.
Эйнштейн десять лет работал над тем, чтобы понять, как сила гравитации может быть включена в его теорию. Его окончательный прорыв состоял в том, чтобы понять, что пространство-время может быть динамичным и искривленным, и что эффекты этой кривизны — это то, что вы и я ощущаем как «гравитацию». Плоды этого вдохновения — то, что мы сейчас называем общей теорией относительности.
Итак, специальная теория относительности — это теория фиксированного плоского пространства-времени без гравитации; общая теория относительности — это теория динамического пространства-времени, в которой кривизна порождает гравитацию. Обе считаются «классическими» теориями, хотя они заменяют некоторые принципы ньютоновской механики. Для физиков классический не означает «нерелятивистский»; это означает «неквантовый». Все принципы классической физики полностью сохраняются в релятивистском контексте.
Мы должны быть готовы отпустить наше дорелятивное пристрастие к раздельности пространства и времени и позволить им раствориться в единой арене пространства-времени. Лучший способ добиться этого — еще более тщательно подумать о том, что мы подразумеваем под «временем». И лучший способ сделать это — еще раз вернуться к тому, как мы думаем о пространстве.
Рассмотрим два места в космосе, например ваш дом и ваш любимый ресторан. Какое расстояние между ними?
Ну, это зависит, вы сразу думаете. Есть расстояние «по прямой», если бы мы могли представить себе идеально прямой путь между двумя точками. Но есть также расстояние, которое вы преодолели бы в реальном путешествии, где, возможно, вы ограничены общественными улицами и тротуарами, избегая зданий и других препятствий на пути. Маршрут, который вы выбираете, всегда будет длиннее, чем расстояние по прямой, поскольку прямая линия — это кратчайшее расстояние между двумя точками.
Теперь рассмотрим два события в пространстве-времени. На техническом жаргоне теории относительности «событие» — это всего лишь одна точка во Вселенной, определяемая местоположениями как в пространстве, так и во времени. Одно событие, назовем его А, может быть «дома в 6:7», а событие Б может быть «в ресторане в 6:45». Зафиксируйте эти два события в уме и подумайте о путешествии между А и Б. Вы не может торопиться добраться до Б раньше; если вы приедете в ресторан в 7:XNUMX, вам придется сидеть и ждать до XNUMX:XNUMX, чтобы добраться до события в пространстве-времени, которое мы обозначили как B.
Теперь мы можем спросить себя, как и в случае с пространственным расстоянием между домом и рестораном, сколько времени проходит между этими двумя событиями.
Вы можете подумать, что это вопрос с подвохом. Если одно событие в 6:7, а другое в XNUMX:XNUMX, между ними проходит час, верно?
Не так быстро, говорит Эйнштейн. В устаревшей, ньютоновской концепции мира, конечно. Время абсолютно и универсально, и если время между двумя событиями составляет один час, то это все, что можно сказать.
Относительность рассказывает другую историю. Теперь есть два разных понятия о том, что подразумевается под «временем». Одно из представлений о времени — это координата в пространстве-времени. Пространство-время — это четырехмерный континуум, и если мы хотим указать местоположения в нем, удобно привязать число, называемое «временем», к каждой его точке. Обычно это то, что мы имеем в виду, когда думаем о «6:7» и «7:XNUMX». Это значения координаты в пространстве-времени, метки, которые помогают нам локализовать события. Все должны понимать, что мы имеем в виду, когда говорим «встречаемся в ресторане в XNUMX:XNUMX».
Но, как говорит теория относительности, точно так же, как расстояние, на которое летит ворона, обычно отличается от расстояния, которое вы на самом деле преодолеваете между двумя точками в пространстве, продолжительность времени, которое вы испытываете, обычно не будет таким же, как универсальное координатное время. Вы испытываете количество времени, которое можно измерить часами, которые вы носите с собой в путешествие. Это подходящее время на пути. И продолжительность, измеряемая часами, точно так же, как пройденное расстояние, измеряемое одометром вашего автомобиля, будет зависеть от выбранного вами пути.
Это один из аспектов того, что означает выражение «время относительно». Мы можем думать как об общем времени в терминах координаты в пространстве-времени, так и о личном времени, которое мы индивидуально переживаем на нашем пути. А время подобно пространству — эти два понятия могут не совпадать. (Как заметил историк Питер Галисон, не случайно Эйнштейн работал в швейцарском патентном ведомстве в то время, когда быстрое железнодорожное сообщение заставляло европейцев думать о том, сколько времени сейчас в других городах континента, чтобы лучше строить. часы стали важным технологическим рубежом.)
Тем не менее, должен быть какой-то аспект, в котором время не похоже на пространство, иначе мы бы просто говорили о четырехмерном пространстве, а не выделяли время как заслуживающее отдельного ярлыка. И мы не думаем здесь о стреле времени — на данный момент мы находимся в простом мире с несколькими движущимися частями, где нам не о чем беспокоиться об энтропии и необратимости.
Разница вот в чем: в пространстве прямая линия описывает кратчайшее расстояние между двумя точками. В пространстве-времени, напротив, прямой путь дает наибольшее время, прошедшее между двумя событиями. Именно переход от кратчайшего расстояния к самому длинному времени отличает время от пространства.
Под «прямым путем» в пространстве-времени мы подразумеваем как прямую линию в пространстве, так и постоянную скорость движения. Другими словами, инерционная траектория без ускорения. Зафиксируйте два события в пространстве-времени — два положения в пространстве и соответствующие им моменты времени. Путешественник может совершить путешествие между ними по прямой линии с постоянной скоростью (какой бы ни была эта скорость, чтобы они прибыли в нужное время), или они могут мчаться вперед и назад по неинерционной траектории. Маршрут «туда-обратно» всегда будет включать большее пространственное расстояние, но меньше собственного времени, чем прямой вариант.
Почему это так? Потому что так говорит физика. Или, если хотите, потому что так устроена вселенная. Возможно, со временем мы обнаружим какую-то более глубокую причину, почему так должно было быть, но при нашем нынешнем уровне знаний это одно из основополагающих предположений, на которых мы строим физику, а не вывод, который мы делаем из более глубоких принципов. Прямые линии в пространстве — это кратчайшее возможное расстояние; прямые пути в пространстве-времени — это максимально возможное время.
Может показаться нелогичным, что пути на большее расстояние требуют меньше собственного времени. Все нормально. Если бы это было интуитивно, вам не нужно было бы быть Эйнштейном, чтобы прийти к этой идее.
Адаптирован из Величайшие идеи во Вселенной Шон Кэрролл, с разрешения Даттона, издательства Penguin Publishing Group, подразделения Penguin Random House LLC. © 2022 Шон Кэрролл.
