Книга О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог

шло вразрез и со всем физическим мышлением XIX века. Считалось, что световые волны переносятся эфиром, таинственной средой, заполняющей все пространство. Будь это так, для наблюдателей, движущихся относительно эфира с разными скоростями, световые волны тоже распространялись бы с разной скоростью. Но эксперименты говорили об обратном! Этого было достаточно, чтобы Альберт Эйнштейн, клерк швейцарского патентного бюро, усомнился в существовании эфира. Эйнштейн понял, что, если свет всегда имеет одну и ту же наблюдаемую скорость, значит, у наблюдателей, движущихся друг относительно друга, должны быть разные представления о расстоянии и времени. В конце концов, скорость есть мера пройденного расстояния, деленная на продолжительность движения. Согласно Эйнштейну, каждый из нас носит с собой свои собственные часы, не сверяя их по космическому Биг-Бену – и, хотя все они могут быть идеально точными, когда мы движемся друг относительно друга, тикают они с несколько разной частотой и измеряют время, прошедшее между одними и теми же двумя событиями, по-разному. То же самое и с расстояниями: линейка одного наблюдателя может отличаться от линейки другого. Так что просто не существует универсальных мер длительности и расстояния. Это и было основной идеей опубликованной Эйнштейном в 1905 году специальной теории относительности. Само слово «относительность» здесь выражает именно ту революционную идею, что понятия пространства, времени и одновременности не являются объективными, но всегда связаны с точкой зрения данного наблюдателя.

Вы можете спросить, куда же девается разность расстояний, измеренных одним наблюдателем относительно другого. Просто исчезает? Не совсем. Она переходит в количество времени. Дело в том, что в эйнштейновской релятивистской Вселенной движение в пространстве смешивается с движением во времени. Когда я смотрю на припаркованное спортивное авто моей сестры, я вижу, что оно движется только во времени. Но когда сестра выезжает со стоянки, крохотная часть движения ее машины во времени переходит в движение в пространстве. И это замедляет движение машины во времени: часы сестры теперь идут чуть медленнее моих. Это, конечно, не делает ее похожей на героиню лимерика, которая, уехав сегодня, вернулась домой вчера[31], но все-таки, когда она снова приедет на стоянку, ее часы немного разойдутся с моими. Максимальная скорость достигается, когда движение во времени полностью обращается в движение в пространстве. Это скорость света – космический предел скорости. Грубо говоря, движение в пространстве со скоростью света не оставляет возможности двигаться во времени. Если бы у частицы света были наручные часы, они бы не тикали.

ТЕОРИЯ ЭЙНШТЕЙНА РАЗРУШИЛА ГЛУБОКО УКОРЕНИВШИЙСЯ НЬЮТОНОВСКИЙ ВЗГЛЯД НА МИР, ГДЕ ПРОСТРАНСТВО БЫЛО ФИКСИРОВАННОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СЦЕНОЙ, НА КОТОРОЙ РАЗЫГРЫВАЛИСЬ СОБЫТИЯ, А ВРЕМЯ – УНИВЕРСАЛЬНОЙ ОДНОНАПРАВЛЕННОЙ СТРЕЛОЙ, УСТОЙЧИВО И РАВНОМЕРНО ДВИГАЮЩЕЙСЯ ИЗ БЕСКОНЕЧНОГО ПРОШЛОГО В БЕСКОНЕЧНОЕ БУДУЩЕЕ.

Вооруженная этими представлениями, теория Эйнштейна разрушила глубоко укоренившийся ньютоновский взгляд на мир, где пространство было фиксированной космической сценой, на которой разыгрывались события, а время – универсальной однонаправленной стрелой, устойчиво и равномерно двигающейся из бесконечного прошлого в бесконечное будущее. В системе представлений Ньютона ничто не могло повлиять на однородную природу пространства и линейное течение времени. Кроме того, время и пространство не были взаимосвязаны. По Ньютону, время было всегда и всегда будет, независимо от любого участка пространства, который может существовать, а может и не существовать.

Специальная теория относительности Эйнштейна бросила вызов этой картине мира, установив внутреннюю глубокую связь между пространством и временем. В 1908 году немецкий математик Герман Минковский, когда-то бывший одним из преподавателей Эйнштейна в Цюрихской высшей технической школе, завершил начатую Эйнштейном смену концепций пространства и времени. Его знаменитая декларация гласит: «Отныне пространство само по себе и время само по себе низводятся до роли теней и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность»[32]. Минковский сплавил три измерения пространства и одно измерение времени в единую четырехмерную сущность: пространство-время.

Чтобы визуализировать этот четырехмерный союз, мы обычно удаляем одно или два из трех пространственных измерений и показываем на рисунке остальные вместе с временной осью в виде «пространственно-временной диаграммы». Рис. 8 воспроизводит самую первую сделанную Минковским графическую визуализацию пространства-времени, в которой он сохранил только одно пространственное измерение, направленное горизонтально, и вертикальную временную ось. Эта схема иллюстрирует, как именно специальная теория относительности переопределяет наши отношения со Вселенной. Если мы наблюдаем из точки O, то сигналы, распространяющиеся со скоростью света, – как достигающие нас с противоположных направлений в прошлом, так и уходящие от нас в будущее, – прочерчивают в пространстве-времени две прямые линии, которые пересекаются в точке O и делят пространство-время на четыре непересекающихся части. Прошлое наблюдателя – это треугольная область пространства-времени, ограниченная траекториями световых лучей, приходящих в точку O. Она содержит все события, которые произошли и могут повлиять на действительность, видимую наблюдателем. Будущее наблюдателя – это область пространства-времени, ограниченная световыми лучами, вышедшими из O; в ней содержится все, на что наблюдатель может влиять. Позже нам встретятся пространственно-временные диаграммы, содержащие и второе пространственное измерение в горизонтальной плоскости. На таких диаграммах пути световых лучей в прошлом и в будущем в каждой точке образуют два конуса, касающихся своими вершинами в этой точке и раскрывающихся в противоположных направлениях. В структуре световых конусов, выходящих из каждой точки пространства-времени, и заключается вся суть релятивистской физики. Прежде люди верили, что прошлое и будущее как бы склеены друг с другом при помощи настоящего. Но специальная теория относительности показывает, что для вас – для наблюдателя – прошлое и будущее соприкасаются лишь в одной точке, отмечающей ваше конкретное положение во Вселенной.

Рис. 8. Первая диаграмма, объединяющая пространство и время в пространство-время, опубликованная Германом Минковским в его изданной в 1908 году книге Raum und Zeit («Пространство и время»). Время и одно измерение пространства обозначены штриховыми стрелками, или «векторами». Одна стрелка указывает направление времени (zeitartiger vector), а другая – направление в пространстве (raumartiger vector). Наблюдатель расположен в точке O. Область пространства-времени в его будущем (jenseits von O) ограничена надписью Nachkegel, а в его прошлом (diesseits von O) – Vorkegel. Это световые конусы наблюдателя в будущем и прошлом соответственно.

В ньютоновском мире отделенных друг от друга и абсолютных времени и пространства – и без космического предела скорости – все пространство считалось, по крайней мере в принципе, мгновенно достижимым для посылаемого сигнала. В релятивистском мире Эйнштейна мы начинаем понимать, какая малая часть его находится в пределах досягаемости. Наблюдаемая часть Вселенной ограничена как в пространстве, так и во времени областью, лежащей внутри нашего светового конуса прошлого. А так как с момента Большого взрыва прошло всего 13,8 миллиарда лет, это значит, что существует космологический горизонт, предельное расстояние, вне