Теория относительности считается сложной для понимания главным образом потому, что мы интуитивно привыкли разделять время и пространство, думать о них как о разных вещах. В нашем представлении объекты имеют определенную протяженность в «пространстве», и это кажется вполне объективным фактом. А так как обычно мы перемещаемся намного медленнее, чем свет, законы дорелятивистской физики работают отлично, а значит, таких представлений нам вполне хватает.

Несоответствие между интуитивными представлениями и теорией и делает переход к пространственно-временной перспективе таким пугающим. Еще хуже становится от того, что теорию относительности обычно излагают по восходящему принципу, то есть начинают с обычного взгляда на время и пространство, а затем говорят, как они изменяются в новом контексте. Людям рассказывают истории о растягивающихся стержнях и искаженных часах. Это все точно технически, но заслоняет красоту и простоту основополагающих концепций.

Мы пойдем другим путем. Наш путь в специальную теорию относительности будет нисходящим: мы с самого начала будем серьезно говорить о едином пространстве-времени и делать выводы, которые можно сделать. Придется немного напрячь мозги, но в результате мы глубже поймем релятивистский взгляд на вселенную.

Создание теории относительности обычно приписывают Альберту Эйнштейну. Однако его работа — лишь замковый камень огромного монумента теоретической физики, который строился с тех пор, как Максвелл объединил электричество и магнетизм в единую теорию электромагнетизма. В середине XIX века Максвелл высказал идею о том, что свет — волна, колебания в электромагнитных полях, а значит, распространяется с определенной скоростью. Ученые того времени не до конца понимали, как поле может существовать само по себе и что же именно «колеблется» в световой волне.

Многие физики изучали гипотезу о том, что свет распространяется через среду, которую называли «светоносным эфиром». Однако никто из них так и не смог доказать, что он существует, а потому предлагались все более сложные доводы в пользу того, что светоносный эфир — субстанция необнаружимая. В 1905 году Эйнштейн заявил, что мы можем лучше понять законы физики без всякого эфира и он нам совсем не нужен. Все, что нам требовалось сделать, — принять совершенно новую концепцию пространства и времени. (Согласен, это непросто. Однако игра стоит свеч.)

Идеи Эйнштейна сейчас известны как специальная теория относительности. Ее основы изложены в работе «Об электродинамике движущихся тел», в которой доказана необходимость нового взгляда на длину и продолжительность. Ученый объяснил особую роль скорости света, предположив, что во Вселенной существует абсолютный предел скорости — скорость, с которой свет распространяется в пустом пространстве, и что она одинакова для всех, независимо от скорости того, кто измеряет ее значение. Но чтобы доказать эту теорию, Эйнштейну пришлось изменить привычные представления о времени и пространстве.

И все же он не предлагал объединить время и пространство в единое пространство-время. В 1907 году это сделал Герман Минковский, который когда-то работал профессором в университете. Место действия специальной теории относительности сегодня известно как пространство-время Минковского.

У многих из тех, кто впервые задумался о времени и пространстве как о едином четырехмерном континууме, возникает много вопросов. Какую форму имеет пространство-время? Оно плоское либо искривленное? Статичное или динамичное? Конечное или бесконечное? Пространство Минковского — плоское, статичное и бесконечное. Эйнштейн приложил много усилий к тому, чтобы включить в свою теорию гравитацию. В конце концов он понял, что пространство-время может быть динамичным и искривленным, а то, что мы ощущаем как гравитацию — влияние этой кривизны. В результате такого озарения появилась общая теория относительности.

Итак, специальная теория относительности говорит о плоском статичном пространстве-времени без гравитации, а общая — о динамичном пространстве-времени, кривизна которого порождает гравитацию. Обе теории считаются «классическими», хотя и заменяют некоторые принципы механики Ньютона. Для физиков слово «классический» не означает «нерелятивистский», оно означает «неквантовый». Несмотря на более сложное представление о времени и пространстве, в релятивистском контексте полностью сохраняются все принципы классической физики, включая возможность использовать динамику Гамильтона и принцип наименьшего действия.

Знакомство со специальной теорией относительности обычно начинают с рассказов о «сокращении длины» и «растяжении времени». Эти понятия заслуживают уважения, но отражают старомодную тенденцию рассматривать время и пространство как отдельные фундаментальные понятия, хоть и более эластичные, чем мы привыкли.

Истина более глубока. Нам нужно расстаться с дорелятивистской привычкой разделять время и пространство, позволить им раствориться в едином пространстве-времени. Для этого лучше всего еще раз, более пристально посмотреть на то, что мы понимаем под временем. И лучше всего начать с нового взгляда на то, что мы думаем о пространстве.

Представьте себе две точки в пространстве: например, ваш дом и любимый ресторан. Каково расстояние между ними?

Ну, это как посмотреть, скажете вы, не задумываясь. Если напрямик, по идеальной прямой между точками, то будет одно расстояние. А если в реальности, где нужно петлять между зданиями, обходить препятствия, идти по улицам и переулкам, то расстояние будет совсем другим, и оно будет больше, чем при движении напрямик. Действительно, прямая — кратчайший путь между точками.

Теперь рассмотрим два события в пространстве-времени. На техническом жаргоне теории относительности «событие» — это точка во вселенной, которая определяется положением в пространстве и временем. Первым событием (обозначим его за А) будет «дома в шесть часов вечера», а вторым (событием B) — «в ресторане в семь часов вечера». Подумайте о том, как пройти из А в B. Слишком быстро идти нельзя, ведь если подойти к ресторану без пятнадцати семь, это не будет событие В. И чтобы оно наступило, придется подождать.