Вступ
У фізиці Ньютона простір і час мали свої незалежні ідентичності, і ніхто ніколи їх не плутав. Саме з теорією відносності, створеною на початку 20 століття, розмови про простір-час стали майже неминучими. У теорії відносності вже не вірно, що простір і час мають окремі об’єктивні значення. Насправді існує простір-час, і поділ його на простір і час є просто корисною людською умовністю.
Одна з головних причин, чому теорія відносності має репутацію важкозрозумілої, полягає в тому, що наша інтуїція навчає нас думати про простір і час як про окремі речі. Ми сприймаємо об’єкти як такі, що мають протяжність у «просторі», і це здається досить об’єктивним фактом. Зрештою, для нас цього достатньо, тому що ми зазвичай подорожуємо простором зі швидкостями, набагато нижчими за швидкість світла, тому дорелятивістська фізика працює.
Але ця невідповідність між інтуїцією та теорією робить стрибок до просторово-часової перспективи дещо страшним. Що ще гірше, представлення теорії відносності часто використовують підхід «знизу вгору» — вони починаються з наших повсякденних уявлень про простір і час і змінюють їх у новому контексті відносності.
Ми будемо трохи іншими. Наш шлях у спеціальну теорію відносності можна уявити як «зверху вниз», серйозно сприйнявши ідею єдиного простору-часу з самого початку та побачивши, що це означає. Нам доведеться трохи напружити свої мізки, але результатом стане набагато глибше розуміння релятивістської точки зору на наш Всесвіт.
Розвиток теорії відносності зазвичай приписують Альберту Ейнштейну, але він заклав основу теоретичної будівлі, яка була в стадії будівництва з тих пір, як Джеймс Клерк Максвелл об’єднав електрику та магнетизм в єдину теорію електромагнетизму в 1860-х роках. Теорія Максвелла пояснювала, що таке світло — коливальну хвилю в електромагнітних полях — і, здавалося, надавала особливого значення швидкості, з якою поширюється світло. Ідея існування поля сама по собі не була цілком інтуїтивно зрозумілою для вчених того часу, і було природно запитувати, що насправді «коливається» у світловій хвилі.
Різні фізики досліджували можливість поширення світла через середовище, яке вони назвали світлоносним ефіром. Але ніхто не міг знайти доказів будь-якого такого ефіру, тому вони були змушені вигадувати дедалі складніші причини, чому ця речовина не може бути виявлена. Внесок Ейнштейна в 1905 році полягав у тому, щоб вказати, що ефір став абсолютно непотрібним і що ми могли б краще зрозуміти закони фізики без нього. Все, що нам потрібно було зробити, це прийняти абсолютно нову концепцію простору і часу. (Добре, це багато, але виявилося, що воно того варте.)
Теорія Ейнштейна стала відомою як спеціальна теорія відносності або просто спеціальна теорія відносності. У своїй основоположній роботі «З електродинаміки рухомих тіл», він виступав за нові способи мислення про тривалість і тривалість. Він пояснив особливу роль швидкості світла, припустивши, що у Всесвіті існує абсолютна межа швидкості — швидкість, з якою світло просто рухається під час руху крізь порожній простір — і що всі вимірювали б цю швидкість як однакову, як би вони не рухалися. Щоб це вдалося, йому довелося змінити наші традиційні уявлення про час і простір.
Але він не зайшов настільки далеко, щоб виступати за поєднання простору і часу в єдиний єдиний простір-час. Цей крок був залишений його колишньому професору університету Герману Мінковському на початку 20 століття. Арена спеціальної теорії відносності сьогодні відома як простір-час Мінковського.
Коли у вас з’явиться уявлення про простір-час як об’єднаний чотиривимірний континуум, ви можете почати задавати питання про його форму. Чи є простір-час плоским чи викривленим, статичним чи динамічним, кінцевим чи нескінченним? Простір-час Мінковського плоский, статичний і нескінченний.
Ейнштейн десять років працював, щоб зрозуміти, як силу тяжіння можна включити в його теорію. Його кінцевим проривом було усвідомлення того, що простір-час може бути динамічним і викривленим, і що наслідки цього викривлення є тим, що ми з вами відчуваємо як «гравітація». Плодами цього натхнення є те, що ми зараз називаємо загальною теорією відносності.
Отже, спеціальна теорія відносності — це теорія фіксованого плоского простору-часу без гравітації; загальна теорія відносності — це теорія динамічного простору-часу, в якій кривизна породжує гравітацію. Обидві теорії вважаються «класичними», навіть якщо вони замінюють деякі принципи механіки Ньютона. Для фізиків класичний не означає «нерелятивістський»; це означає «неквантовий». Усі принципи класичної фізики повністю недоторкані в релятивістському контексті.
Ми повинні бути готові відмовитися від нашої дотеорічної прихильності до роздільності простору та часу та дозволити їм розчинитися в єдиній арені простору-часу. Найкращий спосіб досягти цього — уважніше подумати про те, що ми маємо на увазі під «часом». І найкращий спосіб зробити це — ще раз згадати, як ми думаємо про космос.
Розгляньте два місця в просторі, наприклад ваш дім і ваш улюблений ресторан. Яка відстань між ними?
Ну, це залежить, ви відразу думаєте. Існує відстань «по прямій», якщо ми можемо уявити ідеально пряму лінію між двома точками. Але є також відстань, яку ви подолали б у реальній подорожі, де, можливо, ви обмежуєтеся громадськими вулицями та тротуарами, уникаючи будівель та інших перешкод на шляху. Маршрут, яким ви їдете, завжди буде довшим за відстань по прямій, оскільки пряма лінія — це найкоротша відстань між двома точками.
Тепер розглянемо дві події в просторі-часі. На технічному жаргоні теорії відносності «подія» — це лише одна точка у Всесвіті, визначена місцями як у просторі, так і в часі. Одна подія, назвіть її A, може бути «вдома о 6 вечора», а подія B може бути «в ресторані о 7 вечора». Тримайте ці дві події в пам’яті та подумайте про подорож між A і B. Ви не може поспішати, щоб швидше потрапити в Б; якщо ви приїдете в ресторан о 6:45, вам доведеться сидіти й чекати до 7:XNUMX, щоб досягти події в просторі-часі, який ми позначили B.
Тепер ми можемо запитати себе, подібно до просторової відстані між домом і рестораном, скільки часу проходить між цими двома подіями.
Ви можете подумати, що це підступне запитання. Якщо одна подія відбувається о 6:7, а інша – о XNUMX:XNUMX, між ними одна година, чи не так?
Не так швидко, каже Ейнштейн. Звичайно, в застарілій, ньютонівській концепції світу. Час абсолютний і універсальний, і якщо час між двома подіями становить одну годину, це все, що можна сказати.
Теорія відносності розповідає іншу історію. Зараз існує два різних поняття того, що мається на увазі під «часом». Одне з понять часу - це координата простору-часу. Простір-час — це чотиривимірний континуум, і якщо ми хочемо вказати місця в ньому, зручно прикріпити число, яке називається «час», до кожної його точки. Загалом це те, що ми маємо на увазі, коли думаємо про «6 вечора» та «7 вечора». Це значення координат у просторі-часі, мітки, які допомагають нам знаходити події. Усі мають розуміти, що ми маємо на увазі, коли говоримо «зустрінемося в ресторані о 7:XNUMX».
Але, як каже теорія відносності, подібно до того, як відстань по прямій загалом відрізняється від відстані, яку ви фактично проходите між двома точками простору, тривалість часу, яку ви відчуваєте, зазвичай не буде такою ж, як універсальний координатний час. Ви відчуваєте кількість часу, яку можна виміряти годинником, який ви носите з собою в подорож. Це відповідний час на шляху. І тривалість, виміряна годинником, так само як і пройдена відстань, виміряна одометром на вашому автомобілі, залежатиме від шляху, яким ви їдете.
Це один із аспектів того, що означає «час відносний». Ми можемо думати як про загальний час у термінах координати простору-часу, так і про особистий час, який ми індивідуально переживаємо на нашому шляху. А час схожий на простір — ці два поняття не обов’язково збігаються. (Як зазначив історик Пітер Галісон, невипадково Ейнштейн працював у швейцарському патентному бюро в той час, коли швидке залізничне сполучення змушувало європейців думати про те, котра година в інших містах континенту, щоб будувати краще годинники стали важливим технологічним рубежем.)
І все-таки має бути певний спосіб, у якому час не схожий на простір, інакше ми просто говорили б про чотиривимірний простір, а не виділяли час як заслуговуючий власного ярлика. І ми тут не думаємо про стрілу часу — на даний момент ми живемо в простому світі з кількома рухомими частинами, де ентропія та незворотність — це речі, про які нам не варто турбуватися.
Різниця полягає в наступному: у просторі пряма лінія описує найкоротшу відстань між двома точками. У просторі-часі, навпаки, прямий шлях дає найдовший час, що минув між двома подіями. Саме цей перехід від найкоротшої відстані до найдовшого часу відрізняє час від простору.
Під «прямим шляхом» у просторі-часі ми маємо на увазі як пряму лінію в просторі, так і постійну швидкість руху. Іншими словами, інерційна траєкторія без прискорення. Зафіксуйте дві події в просторі-часі — два місця в просторі та відповідні моменти часу. Мандрівник міг би подорожувати між ними по прямій лінії з постійною швидкістю (якою б не була ця швидкість, щоб він прибув у потрібний час), або він міг би мчати туди-сюди неінерціальним шляхом. Маршрут туди-назад завжди передбачає більшу просторову відстань, але менший належний час, ніж пряма версія.
Чому це так? Бо так говорить фізика. Або, якщо вам більше подобається, тому що Всесвіт такий. Можливо, ми врешті-решт відкриємо якусь глибшу причину, чому це мало бути саме так, але з огляду на наш поточний рівень знань, це одне з основоположних припущень, на яких ми будуємо фізику, а не висновок, який ми робимо з глибших принципів. Прямі лінії в просторі — це найкоротша можлива відстань; прямі шляхи в просторі-часі - це найдовший можливий час.
Може здатися нелогічним, що шляхи більшої відстані займають менше належного часу. Все добре. Якби це було інтуїтивно зрозуміло, вам не потрібно було бути Ейнштейном, щоб придумати цю ідею.
Адаптовано з Найбільші ідеї у Всесвіті Шон Керролл, з дозволу Dutton, відбиток Penguin Publishing Group, підрозділу Penguin Random House LLC. © Шон Керролл, 2022.
