Дао физики

Поскольку пространству и времени теперь отводится субъективная роль элементов языка, которыми наблюдатель пользуется при описании явлений природы, все люди будет интерпретировать явления по-своему. Чтобы вывести на основании их слов универсальные законы природы, нужно, чтобы законы были преподнесены в форме, которая будет общей во всех системах координат, т. е. для всех наблюдателей, занимающих произвольное положение и находящихся в движении по отношению друг к другу. Это требование, известное как принцип относительности, послужило отправной точкой для всей теории относительности. Интересно, что ее основой стал парадокс, на который Эйнштейн обратил внимание в возрасте 16 лет. Он попытался представить себе, каким бы увидел луч света наблюдатель, продвигающийся к нему со скоростью света, и пришел к выводу, что этот наблюдатель увидел бы электромагнитное поле, двигающееся вперед-назад и не продвигающееся никуда, т. е. не образующее волны. Но такое явление в физике неизвестно. Юный Эйнштейн понял: то, что предстанет для одного наблюдателя знакомым электромагнитным явлением, а именно световой волной, для другого должно оказаться загадкой, противоречащей законам физики. Принять это Эйнштейн не мог. Позже ученый осознал, что принцип относительности можно успешно применить для описания электромагнитных явлений только тогда, когда относительно не только пространство, но и время. Законы механики, которые управляют явлениями, связанными с движением тел, и законы электродинамики, теорию электричества и магнетизма можно будет сформулировать в общих «релятивистских» рамках, которые добавляют время в качестве четвертой (также относительной) координаты к трем пространственным.

Чтобы проверить, удовлетворяет ли описание принципу относительности, т. е. выглядят ли уравнения теории одинаково во всех системах координат, нужно иметь возможность переводить пространственно-временные координаты из одной системы координат в другую. Такие преобразования были хорошо известны и широко использовались в классической физике. На рисунке 19 мы видим пример одного из них. Оно выражается в том, что каждая из двух координат наблюдателя А (горизонтальная и вертикальная, обозначенные линиями со стрелками) может быть представлена в виде комбинации двух координат наблюдателя Б и наоборот. Их точные значения могут быть получены с помощью элементарной геометрии.

В релятивистской физике ситуация иная: к трем пространственным координатам добавляется время — четвертое измерение. Поскольку переход из одной системы координат в другую предусматривает, что каждая координата одной системы выражается в виде комбинации координат в другой, пространственная координата одной системы предстает в общем случае в виде комбинации пространственных координат и времени. Это новая ситуация. Такое преобразование смешивает пространство и время точно определяемым математически образом. Их уже нельзя отделить друг от друга: то, что для одного наблюдателя оказывается пространством, для другого будет соединением пространства и времени. Теория относительности показала, что пространство не трехмерно, а время не самостоятельно. Будучи тесно и неразрывно связаны, они образуют четырехмерный пространственно-временной континуум. Эта концепция была впервые введена Германом Минковским[157] в 1908 г. в его знаменитой лекции.

Взгляды на природу пространства и времени, которые я хочу вам изложить, появились на почве экспериментальной физики, и именно в этом их сила. Они радикальны. Поэтому пространство само по себе, как и время само по себе, обречены на то, чтобы превратиться в тени прошлого. В реальности же они находятся в состоянии некоего единства[158].

Концепции пространства и времени настолько важны в описании природных явлений, что их корректировка меняет всю систему, которую мы используем для описания природы. В ней пространство и время — равноправные неразделимо связанные фундаментальные понятия. В релятивистской физике мы не можем говорить о пространстве, не говоря о времени, и наоборот. Этот новый взгляд необходимо использовать всегда, когда описываемое явление подразумевает наличие сверхвысоких скоростей.