Томас Хертог – О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга (страница 13)
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 которого все, что происходит во Вселенной – или мультивселенной, – в принципе находится вне нашей досягаемости, как бы мы ни пытались увеличить силу наших телескопов.
Даже внутри нашего космологического горизонта мы можем собирать информацию лишь об ограниченных участках пространства-времени. На рис. 9 показаны те области внутри светового конуса прошлого, которые находятся в прямой досягаемости земного наблюдателя. Во-первых, астрономические наблюдения света от источников во Вселенной дают нам информацию о приповерхностной области светового конуса, тянущегося в прошлое более чем на 13 миллиардов лет. Во-вторых, наблюдения земных окаменелостей, космических лучей и других фрагментов космического вещества позволяют нам заглянуть в локальную внутренность нашего светового конуса прошлого на глубину примерно в 4,6 миллиарда лет. Но между этими двумя областями лежат огромные зоны (на рис. 9 они заштрихованы редко), прямого доступа к которым у нас нет.
Рис. 9. Наш световой конус прошлого. Густо заштрихованы области в прошлом, к которым у нас есть прямой доступ.
В 1907 году Эйнштейн решил переосмыслить ньютоновский закон всемирного тяготения, чтобы привести описание гравитации в соответствие со своим новым релятивистским видением пространства-времени. Это грандиозное по трудности предприятие вылилось в настоящую математическую одиссею. Впоследствии сам Эйнштейн описывал его так: «…долгие и одинокие странствия по пустыне, во тьме, в поисках истины, которую мы чувствуем, но не можем выразить»[33]. Но все оправдалось. В ноябре 1915 года, в мрачные дни Первой мировой войны, Эйнштейн смог наконец опубликовать свою общую теорию относительности, новую теорию тяготения, совместимую со специальной теорией относительности – теорией пространства-времени. Ей суждено было стать самым грандиозным из научных достижений Эйнштейна.
В общей теории относительности гравитация описывается в терминах геометрии – по сути, геометрии самого пространства-времени[34]. Эта теория рассматривает тяготение как проявление кривизны пространства-времени, ткань которого изгибается под воздействием массы и энергии. Согласно этой теории, например, Земля движется вокруг Солнца не потому, что на нее на огромном расстоянии действует таинственная сила, каким-то образом притягивающая ее к Солнцу, а потому, что масса Солнца слегка изменяет форму пространства вокруг него, создавая в его окрестности что-то вроде углубления, – из-за чего Земля (и другие планеты) и движутся в этой долине по эллиптическим орбитам. Мы не можем увидеть этого углубления, но мы его чувствуем – это тяготение! Или другой пример – согласно Эйнштейну, вы стоите, упираясь ногами в землю, потому что масса планеты создает в окружающем ее пространстве что-то вроде вмятины, по стенкам которой ваше тело как бы соскальзывает вниз, что и заставляет ваши подошвы чувствовать направленное вверх давление почвы. Та же складка в ткани пространства удерживает на орбите вокруг нашей планеты искусственные спутники, МКС и Луну.
Искривляется не только пространство, но и время! Это явление эксплуатируют – нещадно при этом преувеличивая – постановщики таких фильмов, как «Интерстеллар». Когда Джозеф Купер и его экипаж возвращаются на борт своего космического корабля после короткого пребывания на планете Миллера, они обнаруживают, что Ромилли, член экипажа, дожидавшийся их на корабле, постарел больше, чем на двадцать три года. По-видимому, огромная масса черной дыры неподалеку от планеты Миллера замедлила ход времени для посетивших планету астронавтов.
Мощь эйнштейновской общей теории относительности воплощена в диалоге между веществом и энергией с одной стороны и формой пространства-времени с другой, и этот диалог имеет форму уравнения:
Прочесть это уравнение нетрудно. В правой части – все вещество и энергия в некоторой области пространства-времени, обозначенные Tµv. В левой – описание геометрии этой области. Магия содержится в знаке равенства (=) посредине: он с математической точностью показывает, как геометрия пространства-времени слева (Gµv) связана с данной конфигурацией вещества и энергии (Tµv) справа. Эта взаимосвязь, как говорит нам теория Эйнштейна, и есть то, что мы воспринимаем как тяготение. Получается, что тяготение не входит в теорию Эйнштейна как независимая сила, а возникает из взаимозависимости между материей и формой пространства-времени. Как выразился американский физик Джон Арчибальд Уилер, «вещество говорит пространству-времени, как ему искривляться; пространство-время говорит веществу, как ему двигаться»[35].
Короче, общая теория относительности вдохнула жизнь в пространство-время. Теория Эйнштейна преобразовала пространство-время: из ньютоновской вечной и неизменной «космической сцены», устройство которой недоступно нашему пониманию, оно превратилось в гибкое физическое поле. Интересно, что в физике понятие полей – невидимых субстанций, заполняющих пространство, – восходит к блестящему шотландскому экспериментатору XIX столетия Майклу Фарадею. Эту концепцию тут же подхватил Максвелл, чтобы сформулировать свою теорию электромагнетизма. Наверное, самый известный пример физического поля – это, конечно, магнитное поле, посредством которого действуют магниты. Сегодня физики пользуются понятием поля для описания не только сил, но и разновидностей частиц. Грубо говоря, мы представляем себе частицы как плотные комки или крупицы соответствующих полей, заполняющих пространство. Гений Эйнштейна сказался в том, что он идентифицировал само пространство-время как физическое поле тяготения.