Вы можете подумать, что мы живем в трехмерной Вселенной, основанной только на пространстве. Но вы не можете оставить время вне этого.
Если бы вас попросили описать, как вы можете перемещаться по Вселенной, вы, вероятно, подумали бы обо всех различных направлениях, в которых вы могли двигаться. Вы могли бы двигаться влево или вправо, вперед или назад, и вверх или вниз; вот и все. Эти три независимых направления, описываемые чем-то таким простым, как сетка, описывают все возможные пути, которыми когда-то можно было перемещаться в пространстве.
Но эти три измерения далеко не все, что есть. Есть четвертое измерение, столь же важное, хотя и совсем другое: время. Конечно, мы всегда движемся вперед во времени, но это такое же измерение, как и любое из пространственных. Говорите ли вы, что мы живем в четырехмерной Вселенной, описываемой тканью пространства-времени, или во Вселенной 3+1, где у нас есть три пространственных плюс одно временное измерение, вы не можете отделить эти сущности друг от друга, оставаясь при этом физически правильными. Давайте попробуем понять почему.
Человеческие существа, по большей части, живут только на поверхности Земли. Когда мы хотим описать, где мы находимся, нам обычно нужно указать только две координаты: широту и долготу. Нам нужны только эти два значения, которые описывают, где мы находимся по осям север-юг и восток-запад нашей планеты, потому что третье измерение задано: мы находимся на поверхности Земли.
Но если вы хотите отправиться либо под землю, либо в воздух над поверхностью Земли, вам понадобится третья координата, чтобы точно описать ваше местоположение: высота/глубина или где вы находитесь наверху. -ось вниз. В конце концов, кто-то, находящийся на той же широте и долготе, что и вы, с теми же двухмерными координатами, может легко находиться в подземном туннеле или на вертолете над головой. Они не обязательно находятся в одном и том же месте; вам нужны три независимые части информации, чтобы точно определить ваше местоположение в космосе.
Но даже два разных объекта с одинаковыми точными трехмерными пространственными координатами могут не перекрываться. Причину легко понять, если вы начнете думать о кресле, в котором вы сейчас сидите. Его местоположение определенно может быть точно описано тремя знакомыми нам пространственными координатами: x, y и z. Однако этот стул занят вами прямо сейчас, именно в этот момент времени, а не вчера, час назад, на следующей неделе или через десять лет.
Чтобы полностью описать событие в пространстве-времени, вам нужно знать не только то, где оно происходит, но и то, когда оно происходит. В дополнение к x, y и z вам также нужна координата времени: t. Хотя это может показаться очевидным, оно не играло большой роли в физике до разработки теории относительности Эйнштейна, когда физики начали задумываться о проблеме одновременности. Представьте, если хотите, две отдельные локации - точка «А» и точка «В» - соединенные путем.
Представьте, что у вас есть один человек, который начинает с A, а другой начинает с B, и каждый из них движется к другой точке. Вы можете визуализировать, где находится каждый из них, поместив палец каждой руки в точки A и B, а затем «проведя» их к соответствующим пунктам назначения. Человек, стартующий в точке А, не может попасть в точку Б, не миновав другого человека, а человек, начавший в точке Б, никак не может попасть в точку А, не миновав первого человека.
Другими словами, для того, чтобы каждый человек прибыл в пункт назначения, должен быть момент, когда каждый из ваших двух пальцев занимает одно и то же место в одно и то же время. В теории относительности это называется одновременным событием: когда все пространственные и временные координаты двух разных физических объектов перекрываются. Это не только бесспорно, но и математически доказуемо.
Этот мысленный эксперимент объясняет, почему время нужно рассматривать как измерение, через которое мы движемся, точно так же, как наши пространственные измерения являются измерениями, через которые мы движемся. Однако не Эйнштейн соединил пространство и время в единственной формулировке, сделавшей их неразрывными. Вместо этого бывший профессор Эйнштейна - Герман Минковский - понял, насколько неразделимы эти две сущности.
Менее чем через три года после того, как Эйнштейн впервые представил свою Специальную теорию относительности, Минковский продемонстрировал их единство с помощью блестящей линии рассуждений. Если вы хотите двигаться сквозь пространство, вы не можете сделать это мгновенно; вам нужно переместиться из того места, где вы находитесь сейчас, в другое пространственное положение, куда вы прибудете только в какой-то момент в будущем. Если вы сейчас здесь, вы не можете быть в другом месте в этот же момент, вы можете попасть туда только позже. Перемещение в пространстве требует от вас перемещения и во времени.
В публикации Эйнштейна по специальной теории относительности в 1905 году была изложена количественная связь между движением человека в пространстве и его движением во времени. Он научил нас тому, что скорость света в вакууме является универсальным пределом скорости, и что, приближаясь к нему, вы испытываете причудливые явления сокращения длины и замедления времени.
Но Минковский сделал гигантский скачок вперед, когда математически понял, что движение во времени ведет себя точно так же, как движение в пространстве, за исключением двух дополнительных мультипликативных факторов: c, скорости света в вакууме, и i, мнимое число √(-1). Завершив первый вывод пространства-времени, Минковский прочитал лекцию:
Отныне пространство само по себе и время само по себе обречены растворяться в простых тенях, и только некий союз того и другого сохранит независимую реальность.
Когда вы соединяете эти откровения вместе, это приводит к совершенно иной картине Вселенной, чем та, которую вы интуитивно представляете на основе старых ньютоновских представлений об абсолютном пространстве и абсолютном времени. В частности, когда вы путешествуете по Вселенной, вы будете испытывать изменения в том, как для вас проходят пространство и время.
- Если вы неподвижны и неподвижны, оставаясь в одном и том же пространственном положении, вы будете двигаться вперед во времени с максимально возможной скоростью.
- По мере того, как вы двигаетесь в пространстве быстрее, вы будете двигаться во времени медленнее (время расширяется), и кажутся более короткими пространственные расстояния вдоль вашего направления движения (сокращение длины).
- И если бы вы были без массы, у вас не было бы другого выбора, кроме как двигаться со скоростью света. Расстояния вдоль вашего направления движения сократятся до нуля; вы бы пересекли их мгновенно. Точно так же время будет растягиваться до бесконечности; ваше путешествие займет нулевое время с вашей точки зрения.
Когда вы исследуете, каковы физические последствия этих соображений, они просто поразительны. Вы можете узнать, что все безмассовые частицы внутренне стабильны; поскольку для них не проходит время в их системе отсчета, они никогда не могут распасться. Создаваемые нестабильные частицы, даже с чрезвычайно коротким временем жизни, могут преодолевать гораздо большие расстояния, чем вы предполагаете, наивно умножая их скорость на время их жизни.
Например, мюон, созданный в верхних слоях атмосферы на высоте около 60-100 км, достигнет поверхности Земли, хотя его время жизни (2,2 мкс) означает, что он не должен пройти даже 1 километр на околосветовых скоростях перед распадом. Это также означает, что вещи, которые изначально идентичны, не обязательно останутся таковыми: пара однояйцевых близнецов, один из которых остается на Земле, а другой отправляется в космос, будет стареть с разной скоростью, причем путешествующий близнец окажется моложе (испытывая меньше опыта). течение времени), чем их оставшийся близнец по возвращении.
Вы не можете рассматривать пространство и время отдельно, так как они неразрывно связаны; движение через одно влияет на ваше движение через другое, независимо от любых других свойств, присущих вашему пространству-времени. Сегодня специальная теория относительности уступила место общей теории относительности, которая также охватывает кривизну, присущую самому пространству. Независимо от свойств Вселенной, в которой вы обитаете, ваше движение в пространстве и времени нельзя рассматривать отдельно друг от друга; вам нужны они оба вместе, чтобы описать вашу реальность.
Время - такое же хорошее измерение, как и пространство, так как независимо от того, как вы продвигаетесь в пространстве, вы всегда должны двигаться вперед во времени. Иногда пишут, что наша Вселенная имеет 3+1 измерение, а не 4 измерения, потому что время находится на несколько иной основе: увеличение вашего движения в пространстве уменьшает ваше движение во времени, и наоборот.
Возможно, наиболее примечательным фактом теории относительности Эйнштейна является то, что любой человек, независимо от того, как он движется в пространстве по отношению к кому-либо другому, увидит одни и те же правила, управляющие его движением в пространстве и времени. Изменение вашего движения в пространстве приведет к предсказуемым эффектам и последствиям для вашего движения во времени, и всякий раз, когда вы сталкиваетесь с другим наблюдателем в тех же пространственных и временных координатах, вы оба можете договориться о том, что для вас одновременность в данный конкретный момент.
Если бы время не было измерением с точными свойствами, которыми оно обладает, специальная теория относительности была бы недействительной, и мы не смогли бы построить пространство-время для описания нашей Вселенной. Нам нужно время, чтобы быть измерением, неотделимым от пространства, чтобы физика работала так, как она работает. Когда кто-то спросит вас, живем ли мы в трехмерной Вселенной, с гордостью добавьте «+1» и отдайте дань уважения времени.