момент объекты такими, какими они были мгновение тому назад, в момент выхода от них света. То есть мы видим их в прошлом! Хотя и в не очень далеком, но все же в прошлом.
Иначе обстоит дело, когда мы рассматриваем небесные тела. Свету нужно более восьми минут для того, чтобы дойти от Солнца до нас. Значит, мы видим Солнце таким, каким оно было восемь минут назад. От звезд свет идет уже годы, а от далеких звездных систем — миллионы и даже миллиарды лет. Мы видим эти звездные системы в очень далеком прошлом. За такой срок могут родиться, прожить свою полную жизнь многие звезды, могут возникать и эволюционировать целые звездные системы! Небесные тела, находящиеся от нас на разных расстояниях, видны нами в разные эпохи в прошлом — чем дальше объект, тем больше надо свету времени, чтобы дойти от него до нас, тем в более далеком прошлом мы его сегодня видим.
Это обстоятельство доставляет астрономам много хлопот, так как звездные системы, находящиеся на разных расстояниях, видны в разные эпохи во Вселенной, и чтобы их сравнивать надо учитывать их эволюцию за длительные промежутки времени. Но сделать это нелегко, ибо как эволюционируют те или иные звездные системы, известно часто плохо и здесь возможны разные неожиданности.
Но оставим эти трудности специалистам и вернемся к теме нашей книги.
ВРЕМЯ, ПРОСТРАНСТВО И ТЯГОТЕНИЕ
Каждый знает, что пространство Вселенной трехмерно. Это значит, что у него есть длина, ширина и высота. То же и у всех тел. Или еще: положение точки может быть задано тремя числами — координатами. Если в пространстве проводить прямые линии или плоскости или чертить сложные кривые, то их свойства будут описываться законами геометрии. Эти законы были известны давным-давно, суммированы еще в III веке до нашей эры Евклидом. Именно евклидова геометрия изучается в школе как стройный ряд аксиом и теорем, описывающих все свойства фигур, линий, поверхностей.
Если мы захотим изучать не только местонахождение, но и процессы, происходящие в трехмерном пространстве, то должны включить еще время. Событие, совершающееся в какой-либо точке, характеризуется положением точки, то есть заданием трех ее координат и еще четвертым числом — моментом времени, когда это событие произошло. Момент времени для события есть его четвертая координата. Вот в этом смысле и говорят, что наш мир четырехмерен.
Эти факты, конечно, известны давно. Но почему же раньше, до создания теории относительности, такая формулировка о четырехметрии не рассматривалась как серьезная и несущая новые знания? Все дело в том, что уж очень разными выглядели свойства пространства и времени. Когда мы говорим только о пространстве, то представляем себе застывшую картину, на которой тела или геометрические фигуры как бы зафиксированы в определенный момент. Время же неудержимо бежит (и всегда от прошлого к будущему), и тела могут менять места.
В отличие от пространства, в котором три измерения, время одномерно. И хотя еще древние сравнивали время с прямой линией, это тогда казалось всего лишь наглядным образом, не имеющим глубокого смысла. Картина резко изменилась после открытия теории относительности.
В 1908 году немецкий математик Г. Минковский, развивая идеи этой теории, заявил: «Отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность». Что имел в виду Г. Минковский, высказываясь столь решительно и категорично?
Он хотел подчеркнуть два обстоятельства. Первое — это относительность промежутков времени и пространственных длин, их зависимость от выбора системы отсчета. Второе, оно и является главным в его высказывании, это то, что пространство и время тесно связаны между собой. Они, по существу, проявляются как разные стороны некоторой единой сущности — четырехмерного пространства-времени. Вот этого тесного единения, неразрывности и не знала доэнштейновская физика. В чем оно проявляется?
Прежде всего пространственные расстояния можно определять, измеряя время, необходимое свету или вообще любым электромагнитным волнам для прохождения измеряемого расстояния. Это известный метод радиолокации. Очень важно при этом, что скорость любых электромагнитных волн совсем не зависит ни от движения их источника, ни от движения тела, отражавшего эти волны, и всегда равна «с». Поэтому расстояние получается просто умножением постоянной скорости «с» на время прохождения электромагнитного сигнала. До теории Эйнштейна не знали, что скорость света постоянна, и думали, что так просто поступать при измерении расстояний нельзя.
Конечно, можно поступить и наоборот, то есть измерять время световым сигналом, пробегающим известное расстояние. Если, например, заставить световой сигнал бегать, отражаясь между двумя зеркалами, разнесенными на три метра друг от друга, то каждый пробег будет длиться одну стомиллионную долю секунды. Сколько раз пробежал этот своеобразный световой маятник между зеркалами, столько стомиллионных долей секунды прошло.
Приведенные примеры показывают связь пространства и времени. Их промежутки отличаются друг от друга всего лишь постоянным и хорошо известным множителем «с».
Не менее важное проявление единства пространства и времени состоит в том, что с ростом скорости тела течение времени на нем замедляется в точном соответствии с уменьшением его продольных (по направлению движения) размеров. Благодаря такому точному соответствию из двух величин — расстояния в пространстве между какими-либо двумя событиями (например, вспышками двух лампочек) и промежутка времени, их разделяющего, простым расчетом можно получить величину, которая постоянна для всех наблюдателей, как бы ни двигались, и никак не зависит от скорости любых «лабораторий». Эта величина играет роль расстояния в четырехмерном пространстве-времени. Пространство-время и есть то «объединение» пространства и времени, о котором говорил Г. Минковский.
Вообразить такое формальное присоединение времени к пространству, пожалуй, нетрудно. Гораздо сложнее наглядно представить себе четырехмерный мир. Удивляться трудности не приходится. Когда мы в школе рисуем плоские геометрические фигуры на листе бумаги, то обычно не испытываем никаких затруднений в изображении этих фигур; они двумерны (имеют только длину и ширину).
Многим гораздо труднее воображать трехмерные фигуры в пространстве — пирамиды, конусы, секущие их плоскости и т. д. Что касается воображения четырехмерных фигур, то иногда это очень трудно даже для специалистов, всю жизнь работающих с теорией относительности.
Так, известный английский физик-теоретик, крупнейший специалист в теории относительности С. Хоукинг говорит: «Невозможно вообразить четырехмерное пространство. Я сам с трудом представляю фигуры в трехмерном пространстве!» Поэтому читателю, испытывающему трудность с представлением четырехмерия, огорчаться не надо. Но специалисты с успехом используют понятие пространства-времени. Так в пространстве-времени можно линией изображать движение какого-либо тела.
На рисунке 3 по горизонтали изображено расстояние в пространстве по одному направлению, а по вертикали отложено время. Здесь же можно для каждого момента времени отмечать положение тела. Если оно покоится в нашей «лаборатории», то есть его расположение не меняется, то это на нашем графике изобразится вертикальной линией. Если тело движется с постоянной скоростью — мы получим наклонную прямую. При произвольных движениях получается кривая линия. Такая линия получила название
На нашем рисунке 3 сделана попытка показать, что пространство и время выступают как бы совершенно равноправно. Их значения просто отложены по разным осям. Но все же между пространством и временем есть существенная разница: в пространстве можно стоять, во времени стоять нельзя. На рисунке
