Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

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.

Общая теория Эйнштейна

Специальная теория Эйнштейна объединяет пространство и время, а его общая теория – пространство-время с материей и энергией; этому и посвящена следующая глава. В ней я расскажу о притяжении. Согласно теории Ньютона сила притяжения действует как резиновая лента, натянутая между телами. Она тянет их друг к другу, сколь далеко друг от друга они бы ни располагались. Эйнштейн дает более глубокое и точное объяснение: сила притяжения, ощущаемая телом, – это мера искривления пространства-времени вокруг этого тела.

Это искривление не поддается визуализации. Невозможно представить себе даже пространственно-временное «плоское» 4D-пространство-время, не говоря уже о его кривизне. В большинстве ситуаций ньютоновское описание притяжения как силы достаточно точно соответствует наблюдаемым фактам, однако его недостатки становятся тем очевиднее, чем сильнее гравитация, например, когда мы приближаемся к черной дыре или когда нам нужно очень точно измерить расстояние и время, скажем, на борту спутника GPS. В таких ситуациях нам придется отказаться от ньютоновского представления и полностью признать эйнштейновское понимание искривленного пространства-времени.

Поскольку притяжение определяется искривлением пространства-времени, оно оказывает влияние на ход времени, а также на форму пространства. Для нас, существующих в рамках пространства-времени, этот эффект проявляется в замедлении течения времени, подобном тому, что мы наблюдаем, когда тела движутся со скоростью, близкой к скорости света. Чем ближе к источнику поля часы, тем сильнее притяжение и тем медленнее они будут тикать по сравнению с часами, удаленными от источника поля в более «плоском» пространстве-времени.