В нашей повседневной жизни пространство – это ответ на вопрос «где?», а время – это ответ на вопрос «когда?». И если их перепутать, начинается полный кавардак:
– Когда случилась Куликовская битва? – На реке Дон.
– Куда я положила свои очки? – Вчера.
Чепуха какая-то...
Однако уже довольно давно физики пришли к выводу, что события в нашем мире на самом деле происходят внутри единого и неразделимого «пространства-времени». В нём нет «где» и «когда», а есть только «когда-где». Как такое может быть? Попробуем разобраться!
Откуда берётся время?
В прежние времена у школьников было такое развлечение. Бралась толстая тетрадь в клетку, и на последней странице на полях рисовался человечек. Затем на полях предпоследней страницы рисовался тот же человечек – но только уже немножко в другой позе. И так ещё, ещё, ещё – пока не доходишь до первой страницы.
И тогда, зажав тетрадь в руке и быстро перелистывая края страниц большим пальцем, можно увидеть самый настоящий мультик – как человечек «бежит» по полям тетради!
Вы читаете статью из журнала "Лучик"
Так вот, это самая простая и наглядная в мире модель пространства-времени!
Что такое тетрадный лист? С точки зрения математики – это двумерное пространство. Двумерное, поскольку у него есть два измерения – ширина и высота (толщиной бумажного листа можно пренебречь). Измерения «время» у тетрадного листа нет.
Рисуя в этом двумерном пространстве человечка, мы создаём двумерный объект. Времени в этом объекте тоже нет.
Следующий лист – это уже другое пространство, «параллельное». Времени нём тоже нет!
А затем, перелистывая наши двумерные пространства одно за другим, мы получаем движение, то есть изменение положения во ВРЕМЕНИ.
Итак, сначала времени не было, а потом оно появилось. Благодаря чему?
Благодаря тому, что мы сложили отдельные листы в стопку. А стопка листов – это уже не двумерный объект, а трёхмерный! У неё есть толщина! Тут-то, с добавлением ещё одного измерения, время и «появилось»!
Впервые на это замечательное и любопытное явление обратил внимание французский математик Пьер Лаплас ещё в конце XVIII века. Именно он указал на то, что изменение состояния любого объекта во времени можно описать как неизменный объект в пространстве – только пространство должно иметь на одно измерение больше.
Время нам только кажется
Теперь представьте, что вы – это человечек, нарисованный на уголке тетрадного листка. Тетрадь – это ваша вселенная, вы в ней живёте. Каждый рисунок соответствует одному из дней вашей жизни. Вы знаете, что было до сегодняшнего дня, а что будет после, вы не знаете. Вы ещё «не прожили» свои следующие рисунки.
Однако в тетради эти рисунки уже есть. Для вас их ещё нет (потому что у вас два измерения), а для вашей вселенной, у которой на одно измерение больше, они уже есть.
И если бы вы (нарисованный человечек, двумерный объект) каким-то чудом могли стать трёхмерным, вы бы знали своё будущее! (Ну, скажем, могли бы взять в руки тетрадь и пролистать её.)
– Но мы же и есть трёхмерные! Почему же мы будущего не знаем?
– Потому что для этого нам, трёхмерным, нужно стать четырёхмерными, иметь на одно измерение больше! Догадались, какого измерения нам не хватает?
Мы живём в трёхмерном мире: в нём есть ширина, высота и глубина (толщина). Проблема в том, что эти ширина, высота и глубина в нашем мире существуют только СЕЙЧАС. Где то, что было секунду назад? Только в нашей памяти, в нашем воображении… Можно сказать, что этого уже нет. А где то, что будет через секунду? А этого ЕЩЁ НЕТ!
Так какого измерения нам не хватает, чтобы знать своё будущее?
В это трудно поверить, но времени в нашем с вами трёхмерном мире нет! Оно существует только в нашем воображении! В нашем мышлении! Можно сказать, мы его воображаем, мы о нём догадываемся.
Как можно увидеть будущее
Нельзя сказать, что мы совсем не знаем своего будущего. Иногда заглянуть в будущее мы всё-таки можем. Математик может «предсказать» орбиту спутника, когда этот спутник ещё даже не запущен в космос. Инженер может «предсказать», с какой скоростью будет ехать автомобиль и какой груз он будет везти, когда этот автомобиль ещё даже не построен. Когда мы считаем, мы говорим: «Один плюс один – будет два». «Будет!» Значит, мы предсказываем будущее! Как же это нам удаётся? Ведь в трёхмерном мире будущее увидеть нельзя!
А может... Может, наш мир не трёхмерный?
Снова вспоминаем Лапласа. Он понял, что всю нашу с вами трёхмерную пространственную вселенную можно представить как неизменное четырёхмерное пространство-время.
Время в этой вселенной уже не «воображаемое», а превращается в точно такую же координату, как ширина, высота и глубина. В этой вселенной поведение любого объекта во времени может быть описано неким графиком или функцией – физики называют её «мировой линией».
Иными словами, поведение объекта в будущем можно рассчитать .
Но чем сложнее этот объект, тем больше данных нужно для расчёта, тем сложнее будет этот расчёт. И если рассчитать орбиту спутника ещё можно, то вот рассчитать человеческую судьбу уже не получится. Слишком много понадобится данных!
Упрямая скорость света
В конце XIX века физики пришли к выводу, что у лапласова пространства-времени есть один существенный изъян.
Дело в том, что туда «не укладывается» такая вещь, как скорость света. Получалось, что при движении любого объекта скорость света должна для него изменяться. Допустим, у нас есть Лучик, который стоит на месте с фонариком в руках, и Веснушка, которая едет на велосипеде в сторону Лучика.
Если мы построим два набора мировых линий – для Лучика и Веснушки, то получится, что с точки зрения Веснушки скорость частицы света (фотона) из фонарика будет больше, чем с точки зрения Лучика. Смотрите на картинки!
1. Веснушка на велосипеде приближается к Лучику с включённым фонариком
2. Складываем кадры в стопку и получаем модель пространства-времени
3. Разворачиваем стопку кадров боком и получаем два графика: мировую линию Лучика (красные точки) и мировую линию Веснушки (синие точки).
Веснушка движется навстречу потоку света из фонарика. Значит, её скорость и скорость света должны складываться. Значит, скорость света для Веснушки должна быть выше, чем для Лучика… Но этого не происходит! Реальные измерения никаких изменений скорости света при движении не обнаружили! Почему? Почему скорость света остаётся неизменной?
Голландский учёный Хендрик Лоренц тогда предположил, что при движении наблюдателя само пространство-время как бы «сдавливается» и «вытягивается по диагонали». Тогда можно объяснить, почему скорость света остаётся неизменной, но... получается, что любые измерения – например, размеров или времени – зависят от скорости движения.
В начале XX века Альберт Эйнштейн согласился с выводами Лоренца и на их основе создал принципиально новую физику – ту, которую мы называем современной.
В этой физике точно так же используется четырёхмерное пространство-время – правда, математически оно описывается чуть-чуть не так, как у Лапласа. В одной важной формуле вместо знака «плюс» был поставлен знак «минус» – и этого оказалось достаточно, чтобы свойства нашей Вселенной оказались совершенно другими...
Относительная вселенная
Внутри «нового», релятивистского («относительность» на латыни будет «реляцио») пространства-времени положение предметов и последовательность событий во времени должны были изменяться в зависимости от скорости наблюдателя.
Это казалось невероятным – но так оно и оказалось на самом деле.
Допустим, у нас есть три мальчика – Петя, Вася и Коля, которые по сигналу одновременно зажигают фонарики. С точки зрения лапласова пространства-времени, как бы быстро мы ни двигались, фонарики для нас всё равно зажгутся одновременно.
А вот у Эйнштейна – нет! Одновременно фонарики зажгутся только в случае, если мы будем стоять на месте. А вот если полетим на ракете с огромной скоростью в одну сторону – увидим, что сперва свой фонарик зажёг Коля, потом Вася, а потом Петя. А если полетим в другую, то увидим, что первым фонарик зажёг Петя, потом Вася и только последним – Коля. С ума сойти, правда?
Искривление пространства-времени
Но это ещё только цветочки! С точки зрения новой теории пространство-время было не неизменным, оно искривлялось под действием массы – и, в свою очередь, искривление пространства-времени влияло на движение всех объектов во Вселенной.
Ещё в XVII веке английский математик Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения – тот самый, который про «все тела притягиваются друг к другу». Открыл, но не объяснил – почему же все тела притягиваются. Эйнштейн дал, наконец, теоретическое объяснение: все тела искривляют пространство-время вокруг себя, а уже искривление пространства-времени вызывает движение.
Сложно? Что ж, попробуем объяснить проще.
Возьмём плоский лист фанеры или плотного картона. В центр уложим теннисный мячик, а с краю положим маленький лёгкий шарик. Несильным щелчком запустим шарик вдоль края листа – он прокатится по прямой, совершенно «не обращая внимания» на теннисный мяч в центре.
Представим, что теннисный мячик – это Солнце, лёгкий шарик – это Земля, а лист фанеры – пространство-время. Как видите, если пространство-время неискривлённое, «плоское», Солнце и Земля никак не взаимодействуют.
Однако возьмём вместо листа фанеры четырёхугольную рамку с туго натянутой тонкой резиновой плёнкой или шёлковой тканью. Когда мы уложим теннисный мячик в центр, под его массой плёнка сразу же продавится, искривится. Запустим шарик – и увидим, что вместо прямой линии он начнёт «заворачивать» в сторону мячика; если удачно подобрать скорость и угол, то мы увидим, что он даже сделает несколько оборотов по закручивающейся спирали, прежде чем, наконец, столкнётся с объектом в центре. Выглядит так, будто теннисный мячик притягивает маленький шарик – хотя сами по себе они не притягиваются, внутри них нет никаких «магнитиков»!
В точности так же своей гравитацией Солнце искривляет пространство-время вокруг – и тем самым влияет на движение других объектов, «притягивает» их к себе. И не только Солнце – на самом деле любой обладающий массой объект в нашей Вселенной искривляет пространство-время (даже мы с вами). Просто для того, чтобы это искривление стало заметным, масса должна быть реально большой. И тогда...
Насколько большой должна быть масса, чтобы мы хотя бы что-то заметили? Массы нашей Земли, например, хватит – 6 секстиллионов тонн?
Да, этого вполне достаточно. Гравитация нашей планеты искривляет пространство-время вокруг, из-за чего возникают довольно забавные эффекты. Например, скорость времени изменяется в зависимости от высоты над поверхностью Земли: чем выше, тем быстрее идёт время!
Представьте себе – вы учитесь в 3-м классе «В», у которого кабинет находится на первом этаже школы. А ваша лучшая подруга – в 3-м классе «А», у которого кабинет на четвёртом этаже. Так вот, ваши наручные часы идут медленнее, чем у вашей подруги!
И уроки на первом этаже длятся дольше, чем на четвёртом (что плохо)! А перемены длиннее (что хорошо)! Более того – на первом этаже идут медленнее и ваши внутренние биологические часы – то есть вы медленнее растёте (что плохо) и медленнее стареете (что хорошо).
Разница невероятно крохотная – но она есть, и современные приборы могут её обнаружить! (Так что не торопитесь селиться в небоскрёбах.)
Когда учёные впервые запустили в космос навигационные спутники, они столкнулись с тем, что, казалось бы, правильно настроенные датчики давали очень большие ошибки. Скажем, объект находится «здесь», а спутник показывает, что объект находится «вон там», в пятидесяти метрах!
Пятьдесят метров – это для навигационного спутника (да даже обычной программы-навигатора в смартфоне) очень большая погрешность...
Наконец, физики догадались, в чём дело: из-за искривления пространства-времени часы на поверхности Земли шли медленнее, чем на спутниках, отсюда и возникали регулярные ошибки. На высоте 1000 километров разница составляет 9 наносекунд – крошечное, казалось бы, время, но его оказалось вполне достаточно для возникновения ошибок. Как только в программу спутников внесли изменения, которые учитывали замедление времени в гравитационном поле, всё сразу заработало как надо!
Время, стой, раз-два!
Однако по космическим меркам наша Земля – всё-таки крохотная пылинка. А вот вблизи по-настоящему массивных объектов замедление времени может быть очень большим – время может течь и в два, и в три, и в десять раз медленнее, оно может вообще остановиться!
Например, если бы мы могли отправить часы на границу чёрной дыры (вспоминаем августовский номер «Лучика»), на её горизонт событий, то увидели бы, как эти часы встали. Не потому что сломались, нет – потому что время там остановлено!
Звучит невероятно, но это так и есть.
Или так – представьте себе, что мы отправили к чёрной дыре супербыстрый космический корабль, а командиром назначили Веснушку (фантастика, конечно, но кто нам запретит?). Корабль долетает до чёрной дыры, делает один виток вокруг и возвращается на Землю. И что же мы увидим?
Веснушке всё те же 10 лет, а Лучик к тому времени уже вырастет, окончит школу, институт, станет уважаемым профессором, у него уже будут свои взрослые дети и внуки... Казалось бы, всего лишь один виток вокруг чёрной дыры – а замедление времени такое, что за пару часов «там» может пройти 50 лет «тут». Такие дела.
Можно ли увидеть искривление пространства-времени?
Замедление времени вблизи массивных объектов – не единственное доказательство существования искривлённого пространства-времени. Другим доказательством стало открытие искривления световых лучей.
Мы привыкли считать, что луч света всегда «летит» по прямой, что прямее светового луча вообще ничего не бывает. Однако если на пути луча света вдруг оказывается объект с большой массой (звезда, а ещё лучше – сразу целая галактика), то луч вдруг «сворачивает» с прямого пути и начинает огибать этот объект, будто велосипедист, объезжающий яму посреди дороги!
В 1985 году астрономами в созвездии Пегаса был обнаружен причудливый объект в форме креста – точнее, четыре ярких объекта вокруг одного центрального. Измерения поставили учёных в тупик – получалось, что все четыре объекта «по краям» абсолютно одинаковые «близнецы», что это на самом деле не четыре объекта, а один и тот же!
Оказалось, так и есть. Четыре объекта по краям – это очень далёкий квазар, который находится от нас на расстоянии в 8 миллиардов световых лет, а объект в центре – огромная эллиптическая галактика, которая расположена «всего лишь» в 400 миллионах световых лет, то есть в 20 раз ближе квазара. Громадная гравитация галактики искривляет пространство-время вокруг себя, в итоге мы видим квазар, который на самом деле расположен далеко позади галактики!
Удивительный объект назвали «крест Эйнштейна», в честь первооткрывателя искривления пространства-времени.
В 2010 году космический телескоп «Хаббл» заснял ещё один подобный объект – «Космическую подкову». Посмотрите на фотографию на странице журнала выше. Оранжевый объект в центре – это массивная эллиптическая галактика, голубая же «подкова» вокруг – это совершенно другая галактика, расположенная далеко позади первой!
В точности как того требует теория относительности Эйнштейна, свет от дальней галактики «огибает» ту, которая расположена ближе к Земле!
* * *
Вы читали статью из журнала «Лучик».
Канал "Лучика" в "Телеграм": https://t.me/luchik_magazine
Страница "Лучика" "ВКонтакте": https://vk.com/lychik_magazine
Бесплатно скачать и полистать номера журнала "Лучик" можно здесь: https://www.lychik-school.ru/archive/ Выписать журнал с доставкой в почтовый ящик – на сайте Почты России.
