Пространственно-временные траектории, по которым объект движется со скоростью света, называются нулевыми (поскольку время равно нулю) или светоподобными (по очевидным причинам). В единицах измерения, при которых c = 1, на схеме пространства-времени нулевые траектории будут диагоналями, наклоненными на угол 45°. Именно при таком условии изменение пространственных координат и времени будет одинаковым. Движение со скоростью меньше скорости света будет происходить больше во времени, нежели чем в пространстве. Такие траектории называются временеподобными и располагаются более вертикально по сравнению со светоподобными. Мы также можем подумать и о пространственноподобных траекториях, которые располагаются более горизонтально, так как движение происходит не столько во времени, сколько в пространстве. Физические объекты не могут двигаться по ним (так как нельзя лететь быстрее света), но рисовать их никто запретить нам не может.

Возьмем какое-то событие и обозначим его А. Изобразим чертеж, на котором светоподобные лучи будут начинаться с этого события и направляться в будущее. Как будто кто-то включил и тут же выключил лампочку, а мы отследили траектории всех разлетающихся фотонов. (Примерно так круги расходятся по воде, если бросить в озеро камень. Но только фотоны летят со скоростью света.) Все вместе эти лучи образуют световой конус события А. Гипотетической лампочки может и не быть: такой конус есть у любого события, даже если оно не сопровождается вспышкой света. Фактически конусов даже два: один направлен в будущее, а другой в прошлое, то есть состоит из светоподобных траекторий, которые начинаются где-то в прошлом и заканчиваются событием А.

Связанное со скоростью света ограничение означает, что все исходящие от события физически допустимые траектории должны оставаться внутри его светового конуса. Это касается любых событий. В каждой точке пространства-времени можно построить световые конусы для будущего и прошлого, и все траектории, на которых лежит эта точка, будут располагаться внутри этих конусов.

Световой конус заменяет собой винтажное представление Ньютона об абсолютном пространстве и времени. Стараясь изобразить его на рисунке, мы бы разрезали пространство-время на горизонтальные «моменты времени». При этом события, разделенные в пространстве, но происходящие одновременно, мы бы назвали «синхронными».

Но перейдя к теории относительности, мы потеряли право так делать: синхронных событий больше не бывает. Теперь мы говорим о «временеподобно разделенных» событиях, если одно из них находится в световом конусе другого, либо о событиях «пространственно разделенных» в противоположном случае. Именно с такими определениями согласится любой наблюдатель во вселенной.

Еще раз. Разделение пространства-времени на слои, соответствующие горизонтальным перемещениям, кажется нам естественным, потому что в жизни мы движемся очень медленно по сравнению со светом. Для наших целей метры гораздо удобнее световых секунд. (За всю историю человечества лишь несколько космонавтов — экипаж «Аполлона» — были на расстоянии более световой секунды от родной Земли. И добирались они туда намного дольше одной секунды.) Если рисовать световой конус в метрах и секундах, нулевые траектории не будут наклонены под углом 45°, но станут почти горизонтальными, ведь за секунду свет пролетает огромное количество метров. На таких конусах трудно заметить разницу между временеподобным и пространственноподобным разделением событий, но все-таки она существует.

Стремление делить пространство-время на несоответствующие в реальности слои синхронных событий преодолеть очень сложно. Но тем, кто всерьез занялся теорией относительности, нужно стараться забыть о них, думать только о световых конусах, объективных и универсальных.

Если деление плоского пространства-времени специальной теории относительности на горизонтальные срезы синхронных событий — напрасная забава, резать искривленное пространство-время общей теории относительности, пожалуй, просто невозможно. Но все же нужно признать: люди, как им ни объясняй, не перестанут мыслить в таких категориях. Нам тоже стоит подумать об этих срезах, ведь именно они способны пролить свет на такие вещи, как «сокращение длины». Поняв это, мы сможем наладить общение с коллегами-энтузиастами специальной теории относительности.

Итак, мы называем горизонтальные срезы «системами отсчета» или даже «глобальными системами отсчета», чтобы подчеркнуть их распространение на все пространство. Начнем как обычно: припомним, как все работает именно в пространстве. На плоскости (двумерном плоском пространстве) удобно использовать декартову систему координат с осями x и y, которые перпендикулярны друг другу. При этом никто не сомневается: первична именно плоскость, система же координат — лишь средство для поиска точек на ней. Мы можем выбрать другую систему, x? и y?, например, повернув исходную на некоторый угол. Новые координаты будут не менее полезны, чем старые. Физически же измеримые величины, такие как расстояния между точками, от поворота не изменятся.

Можно проделать все те же действия и в пространстве-времени. Возьмем наблюдателя, который движется без ускорения, и поместим его в начало системы координат. Примем за ось t собственное время наблюдателя, которое показывают его часы. Проявив немного воображения, представим себе, что раз в секунду от наблюдателя исходят «бесконечно быстрые» лучи, которые расходятся во всех направлениях. Просто полет фантазии, не более: мы знаем, что бесконечных скоростей не бывает. Такие лучи представляют собой пространственноподобные линии, «перпендикулярные» мировой линии наблюдателя. Мы будем откладывать по ним координату x. У нас получилась система координат, инерциальная система отсчета, которая распространяется на все пространство-время. (Мы называем ее «инерциальной», поскольку наблюдатель движется без ускорения.)

Вы догадались, что будет дальше? Мы сделаем то же самое, что и раньше, но на этот раз возьмем другого наблюдателя, который движется также без ускорения (то есть с постоянной скоростью) относительно первого. Определим еще одну систему координат, используя собственное время наблюдателя t’ и исходящие от него пространственноподобные лучи x’. Получим некую аналогию поворота декартовой системы координат в обычном пространстве. Переход между ними называется преобразованием Лоренца [17] .