Время и пространство

В начале XX в. выяснилось, что на время "можно влиять"! Очень быстрое движение, например, замедляет бег времени. Потом выяснилось, что поток времени зависит и от поля тяготения. Оказался также тесная связь времени со свойствами пространства. Так возникла и бурно развивается сейчас наука, которую можно назвать физикой времени и пространства. Современный этап развития физики характеризуется новым мощным прорывом в нашем понимании строения материи. Если в первые десятилетия XX в. была понятна строение атома и выяснены основные особенности взаимодействия атомных частиц, то теперь физика изучает кварки - субъядерными частицы и проникает глубже в микромир.

Все эти исследования теснейшим образом связаны с пониманием природы времени. Важное значение для науки и будущей технологии имеют такие свойства времени, как его замедление вблизи нейтронных звезд, остановка в "черных дырах" и "выплескивание" в белых, возможность "преобразования" времени в пространство и наоборот.

Каждый знает, что пространство Вселенной трехмерный. Это значит, что у него с длина, ширина и высота. Так же во всех тел. Или еще: положение точки могут быть заданы 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 в. до н. е. 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, происходящее 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 - это ее четвертая координата. Вот в этом смысле и говорят, что наш мир четырехмерное. Эти факты, конечно, известны давно.

Но почему же раньше, до создания теории относительности, такая формулировка о чотиривимирнисть не рассматривался как серьезное и такое, что несет новые знания? Все дело в том, что очень уж разный выглядели свойства пространства и времени. Когда мы говорим только о пространстве, то представляем себе застывшую картину, на которой тела или геометрические фигуры будто зафиксированы в определенный момент. А время стремительно бежит (и всегда от прошлого к будущему), и тела для изображения этого могут "менять места". В отличие от пространства, в котором три измерения, время одномерный. И хотя еще древние ученые сравнивали время с прямой линией, это казалось всего лишь наглядным образом, не имеет 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 стать фикциями и только некоторый вид сочетание обоих еще должен сохранить самостоятельность». Что имел в виду Г. Минковский, выражаясь так решительно и категорично? Он хотел подчеркнуть два обстоятельства. Первая это относительность промежутков времени и пространственных длин, их зависимость от выбора системы отсчета. Вторая, она и является главным в его высказывании, - это то, что пространство и время тесно связаны между собой. Они, собственно говоря, оказываются как разные стороны некоторой единой сущности - четырехмерного пространства-времени. Вот этого тесного единения, неразрывности и не знала доенштейнивська физика. В чем оно проявляется?

Прежде всего, пространственные расстояния можно определять, измеряя время, необходимое свету вообще любым электромагнитным волнам для прохождения измеряемого расстояния. Это известный метод радиолокации. Очень важно при этом, что скорость любых электромагнитных волн совершенно не зависит ни от движения их источника, ни от движения тела, отражало эти волны, и всегда равна с (с - скорость света в вакууме, примерно равна 300 000 км / сек ). Поэтому расстояние получаем просто умножением постоянной скорости с на время прохождения электромагнитного сигнала.

Теории Эйнштейна не знали, что скорость света постоянна, и думали, что так просто делать при измерении расстояний нельзя. Конечно, можно делать и наоборот, то есть измерять время световым сигналом, пробегает известную 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 пробег этот своеобразный световой маятник между зеркалами, столько стомиллионных долей секунды прошло.

Важное проявление единства пространства и времени заключается в том, что с ростом скорости тела течение времени на нем замедляется в точном соответствии с уменьшением его продольных (по направлению движения) размеров. Благодаря такой точном соответствии с двух величин - расстояния в пространстве между какими-либо двумя событиями и промежутка времени, их разделяет, простым расчетом можно получить величину, постоянна для всех наблюдателей, как бы они не двигались, и никак не зависит от скорости любой рых "лабораторий". Эта величина играет роль расстояния в четырехмерном пространстве-времени.

Пространство-время и есть то "объединение" пространства и времени, о котором говорил Г. Минковский. Представить такое формальное присоединение времени к пространству, пожалуй, нетрудно. Гораздо сложнее наглядно представить себе четырехмерное мир. Удивляться трудностям не приходится. Когда мы в школе рисуем плоские геометрические фигуры на листе бумаги, то обычно не ощущаем никаких затруднений в изображении этих фигур: они двухмерные (имеют только длину и ширину). Гораздо сложнее изображать трехмерные фигуры в пространстве - пирамиды, конусы, плоскости, перерезают их и т. Д. Что касается изображения четырехмерных фигур, то иногда это очень трудно даже для специалистов, которые всю жизнь работают с теорией относительности.

Так, известный английский физик-теоретик, крупнейший специалист в теории относительности Стивен Хокинг говорит: "Невозможно представить четырехмерное пространство. Мне самому трудно представить фигуры в трехмерном пространстве!". Поэтому человеку, испытывающему трудности с представлением чотиривимирности, расстраиваться не надо.

Но специалисты с успехом используют понятие пространства-времени. Так в пространстве-времени можно линией изображать движение какого-либо тела, если по горизонтальной оси (оси абсцисс) изобразить расстояние в пространстве по одному направлению, а по вертикальной (оси ординат) - отложить время. Для каждого момента времени отмечаем положения тела. Если оно остается 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 мировой линии. В общем случае надо представить, что тело может двигаться не только в одном направлении, но и в других двух в пространстве тоже. Его мировая линия будет изображать эволюцию тела в четырехмерном пространстве-времени.

Предпринята попытка показать, что пространство и время выступают якобы совсем равноправно. их значения просто отложены на разных осях. Но все-таки между пространством и временем есть существенная разница: в пространстве можно находиться неподвижным, во времени - нельзя. Мировая линия тела в покое изображается вертикально. Тело будто увлекается потоком времени вверх, даже если оно не движется в пространстве. И так это происходит со всеми телами; их мировые линии не могут остановиться, оборваться в какой-то момент времени, ведь время не останавливается. Пока тело существует, непрерывно продолжается и его мировая линия. Как мы видим, ничего мистического в представлениях физиков о четырехмерное пространство-время нет. А. Эйнштейн как-то заметил: "Мистический трепет охватывает нематематика, когда он слышит о" четырехмерное ", - чувство, подобное чувство, которое вселяется театральным призраком. Однако нет ничего банальнее от фразы, что мир, населенный нами, является четырехмерная пространственно- временная непрерывность ".

Конечно, к новому понятию надо привыкнуть. Однако независимо от способности к наглядных представлений физики-теоретики используют понятие о четырехмерное мир как рабочий инструмент для своих расчетов, оперируя мировыми линиями тел, вычисляя их длину, точки пересечения и так далее. Они развивают в этом четырехмерном мире четырехмерную геометрию, подобную геометрии Евклида. В честь Г. Минковского четырехмерное мир называют пространством-временем Минковского.

После создания в 1905 г.. Теории относительности А. Эйнштейн в течение десяти лет упорно работал над проблемой - как совместить свою теорию с ньютоновской законом всемирного тяготения. Закон притяжения в том виде, как его сформулировал И. Ньютон, несовместим с теорией относительности. Действительно, согласно утверждению Ньютона сила, с которой одно тело притягивает другое, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Поэтому, если тело, притягивающее, сдвинется, расстояние между телами изменится и это мгновенно скажется на силе притяжения, влияет на привлекаемых тело. Таким образом, по Ньютону, тяготение мгновенно передастся через пространство. Но теория относительности утверждает, что этого быть не может. Скорость передачи любой силы, какого-либо влияния не может превышать скорость света, и тяжести не может передаваться мгновенно!

В 1915 г.. Эйнштейн завершил создание новой теории, которая соединила теории относительности и притяжения. Он назвал ее общей теорией относительности. После этого ту теорию, которую Эйнштейн создал в 1905 году. И которая не рассматривала тяжести, стали называть специальной теорией относительности. Теория тяготения Эйнштейна утверждает, что тяготея тела искривляют вокруг себя четырехмерное пространство-время. Трудно наглядно представить себе простой пространство-время, а еще сложнее это сделать, когда он еще и искривлен. Но для математика или физика-теоретика и нет нужды в наглядных представлениях. Для них искривление означает изменение геометрических свойств фигур или тел. Например, если на плоскости отношение длины окружности к ее диаметру равно 2П, то на искривленной поверхности или в "кривом" пространстве это не так. Геометрические соотношения там отличаются от соотношений в геометрии Евклида. И специалисту достаточно знать законы "кривой" геометрии, чтобы оперировать в таком необычном пространстве.

Тот факт, что четырехмерное пространство может быть искривленным, теоретически было открыто в начале XIX в. российским математиком М. Лобачевским и в то же время венгерским математиком Я. Больяй. В середине XIX в. немецкий геометр Б. Риман стал рассматривать "искривленные" пространства не только с тремя измерениями, но и четырехмерные и вообще с любым числом измерений. С той поры геометрию искривленного пространства стали называть неевклидовой. Первооткрыватели неевклидовой геометрии не знали, в каких конкретно условиях может проявиться их геометрия, хотя отдельные догадки об этом высказывали. Созданный ими и их последователями математический аппарат был использован при формулировке общей теории относительности.

Таким образом, согласно основной идеи А. Эйнштейна, тяготея массы искривляют вокруг себя пространство-время. Пространство влияет на материю, "указывая" ей, как двигаться. Материя, в свою очередь, делает обратное воздействие на пространство, "указывая" ему, как искривляться. В этом объяснении все необычно - и искривленный четырехмерное пространство-время, которое нельзя изобразить наглядно, и необычность объяснения силы тяжести геометрическими причинами. Физика здесь впервые прямо связывается с геометрией.

Таковы были успехи физики, и чем ближе мы подходим к нашей эпохи, тем необычнее становятся ее открытия, а понятие все менее подвергаются наглядному изображению. И ничего не поделаешь! Природа сложная, и если мы проникаем все глубже в ее тайны, то приходится мириться с тем, что это требует все больших усилий, в том числе и от нашего воображения. Наверное, слово "мириться" не слишком здесь годится, скорее надо подчеркнуть, что становится все интереснее, хотя и сложнее.

После создания своей теории Эйнштейн указал на эффект, касающийся времени. Теория Эйнштейна гласит: в сильном поле тяготения время идет медленнее, чем вне его. Это означает, например, что любые часы у Солнца идет медленнее, чем на поверхности Земли, так как притяжение Солнца больше, чем притяжения Земли. По аналогичной причине часы на некоторой высоте над поверхностью Земли идет немного быстрее, чем на самой поверхности.

В 1968 г.. Американский физик И. Шапиро измерил замедление времени у Солнца очень оригинальным методом. Он проводил радиолокацию Меркурия, когда тот, двигаясь вокруг Солнца, находился от него с противоположной стороны по отношению к Земле. Радиолокационный луч проходил вблизи поверхности Солнца, и из-за замедления ему было нужно чуть больше времени на прохождение туда и обратно, чем на покрытие такой же расстоянии, когда Меркурий находился дальше от Солнца. Эта задержка (около десятитысячной доли секунды) действительно была зафиксирована и измерена.

Следовательно, не может быть никакого сомнения в замедлении всплытия времени в гравитационном поле. В большинстве исследованных случаев изменение чрезвычайно мала, но астрономы и физики знают ситуации, когда разница в течении времени колоссальная.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >