Джордж и Большой взрыв

Пространство-время и относительность

Четырёхмерное пространство-время

Когда мы хотим отправиться в какое-то место на Земле, мы обычно представляем себе это место в двух измерениях – север-юг и восток-запад. По этому принципу устроены географические карты. Мы постоянно пользуемся двумерными направлениями. Как куда-нибудь дойти или доехать? Вперёд или назад, влево или вправо. Это потому, что поверхность Земли двумерна.

А вот пилот самолёта, выбирая направление, не привязан к поверхности Земли! Самолёт может лететь ещё и вверх или вниз; следовательно, к его положению относительно поверхности Земли добавляется ещё и высота над этой поверхностью, то есть к двум измерениям добавляется третье. Когда лётчик ведёт самолёт, направление «на север», или «на восток», или «вверх» будет зависеть от местонахождения самолёта. «Вверх», например, означает «дальше от центра Земли», поэтому «вверх» над Австралией и «вверх» над Великобританией – это совершенно разные направления!

То же можно сказать и про командира космического корабля далеко-далеко от Земли. Командир корабля может перемещаться в трёх измерениях куда пожелает – но этих направлений всегда будет три, потому что космическое пространство, в котором существуем мы, наша Земля, наше Солнце, звёзды и все галактики, – это пространство трёхмерно.

И, конечно же, когда хочешь куда-то попасть, например на день рожденья друга или на футбольный матч, то мало знать, где состоится это мероприятие, – надо ещё знать, когда. Таким образом, любое событие в истории Вселенной должно иметь четыре координаты: три пространственных и одну временну́ю. Поэтому, описывая Вселенную и всё, что в ней происходит, мы оперируем понятием четырёхмерного пространства-времени.

Относительность

Частная теория относительности Эйнштейна гласит, что законы природы, в том числе скорость света, должны быть одними и теми же вне зависимости от того, с какой скоростью движется наблюдатель. Легко убедиться, что два человека, которые перемещаются относительно друг друга, придут к разным выводам о расстоянии между двумя событиями: например, два события, которые происходят в одном и том же реактивном самолёте, для наблюдателя на Земле будут разделены расстоянием, которое преодолел самолёт в промежутке между этими событиями. Поэтому если наблюдатель в самолёте и наблюдатель на Земле решат измерить скорость светового сигнала, летящего из хвоста самолёта к его носу, то расстояние, пройденное светом с момента подачи сигнала до момента его поступления в нос самолёта, получится у них разным. А поскольку скорость – это расстояние, делённое на время, они также разойдутся в вопросе о том, сколько времени прошло между подачей и приёмом сигнала, – если эти наблюдатели сходятся в вопросе о скорости света (а в нём, согласно теории Эйнштейна, они как раз сходятся!).

Отсюда следует, что время, вопреки мнению Ньютона, не абсолютно: то есть нельзя обозначить время события таким образом, чтобы все с этим согласились. Наоборот, у каждого наблюдателя должна быть собственная мера времени, и два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, получат разные оценки времени.

Для проверки этой теории в кругосветный полёт были отправлены очень точные атомные часы. По возвращении оказалось, что они чуть-чуть отстали от таких же часов, остававшихся на Земле и находившихся всё время в одном и том же месте. Это означает, что если постоянно летать вокруг Земли, то можно продлить себе жизнь!

Однако этот эффект очень незначителен (примерно 0,000002 секунды за один оборот), и его запросто можно свести на нет, если постоянно питаться той едой, которой кормят в самолётах!