Наука Плоского мира. Книга 3. Часы Дарвина

Специальная относительность была неизбежна; ученые не могли не задуматься о ней. Ее корни уходят в 1783 год, когда Джеймс Клерк Максвелл вывел свои уравнения электромагнетизма. Они имеют смысл в «подвижной системе координат» – когда наблюдения ведет движущийся наблюдатель, – и только если скорость света абсолютна. Несколько математиков, в числе которых были Анри Пуанкаре и Герман Минковский, поняли это и опередили Эйнштейна на уровне математики. Однако с точки зрения физики эти идеи были впервые серьезно рассмотрены уже Эйнштейном, который в 1905 году указал на странную природу физических последствий. По мере приближения к скорости света предметы уменьшаются, время замедляется, а масса становится бесконечной. Ничто (ну, или ничто материальное) не может перемещаться быстрее света, а масса способна превращаться в энергию.

В 1908 году Минковский обнаружил простой способ выражения релятивистской физики, ныне известной как пространство-время Минковского. В Ньютоновой физике пространство имеет три неподвижные координаты – влево-вправо, вперед-назад, вверх-вниз. Пространство и время считались независимыми друг от друга. Но в релятивистской физике Минковский принимал время за дополнительную, отдельную координату. Четвертую координату, четвертое независимое направление… четвертое измерение. Трехмерное пространство стало четырехмерным пространством-временем. Но понятие времени Минковского добавило новый виток в старые идеи Д’Аламбера и Лагранжа. Время и пространство могли в некоторой степени меняться местами. Равно как и пространство, время стало геометрическим.

Это видно из релятивистского описания движущейся частицы. В Ньютоновой физике частица находится в пространстве и перемещается с течением времени. Подход Ньютона к природе движущейся частицы похож на просмотр кинофильма. А теория относительности рассматривает ее как последовательность неподвижных кадров, составляющую фильм. Это явно делает теорию относительности детерминистичной. К моменту, когда вы начинаете смотреть фильм, его кадры уже существуют. Прошлое, настоящее и будущее уже в нем. Время течет, фильм идет, мы узнаём, что нам уготовано судьбой – но на самом деле судьба неизбежна и неотвратима. Да, кинокадры, вероятно, могли бы возникать поочередно – так, чтобы самым новым из них всегда был текущий кадр, – но это невозможно делать последовательно для каждого наблюдателя.

Релятивистское пространство-время = геометрический рассказий.

С точки зрения геометрии траектория движущейся точки образует кривую. Представьте, будто частица – это кончик карандаша, пространство-время – лист бумаги, при этом пространство проложено горизонтально, а время – вертикально. Карандаш движется, оставляя за собой след на бумаге. Точно так же частица оставляет за собой в пространстве-времени кривую, называемую мировой линией. Если частица перемещается с постоянной скоростью, мировая линия получается прямой. Частицы, которые перемещаются очень медленно, преодолевают малое расстояние в пространстве за большой промежуток времени – поэтому их мировые линии почти вертикальны. Частицы, которые перемещаются очень быстро, преодолевают большое расстояние в пространстве за малый промежуток времени – поэтому их мировые линии почти горизонтальны. Между ними лежат диагональные мировые линии, которые соответствуют частицам, преодолевающим определенное расстояние в пространстве за равнозначный ему промежуток времени – если измерять его в правильных единицах. Такие единицы выбраны таким образом, чтобы соотноситься посредством скорости света – скажем, если для времени это годы, то для расстояния – световые годы. Что преодолевает расстояние в один световой год за один год времени? Конечно, свет. Тогда диагональные мировые линии соответствуют частицам света, фотонам, или еще чему-нибудь, что перемещается с такой же скоростью.

В рамках теории относительности тела не могут перемещаться быстрее света. Мировые линии таких тел называются времениподобными кривыми. Проходя через заданное событие, эти кривые образуют «световой конус». Хотя на самом деле это как бы два конуса, соединенных острыми концами так, что один направлен вперед, а другой назад. Конус, направленный вперед, описывает будущее события, все точки в пространстве-времени, на которые оно может повлиять. Конус, направленный назад, описывает его прошлое, события, которые могли повлиять на него. Все остальное – запретная территория, все где и когда, которые не имеют никакого отношения к заданному событию.