Концепції сучасного природознавства - Бобильов Ю.П. - 2.3. Час і простір

На початку XX ст. з'ясувалося, що на час "можна впливати"! Дуже швидкий рух, наприклад, сповільнює біг часу. Потім з'ясувалося, що потік часу залежить і від поля тяжіння. Виявився також тісний зв'язок часу з властивостями простору. Так виникла і бурхливо розвивається зараз наука, яку можна назвати фізикою часу і простору. Сучасний етап розвитку фізики характеризується новим могутнім проривом у нашому розумінні будови матерії. Якщо в перші десятиліття XX ст. була зрозуміла будова атома і з'ясовано основні особливості взаємодії атомних частинок, то тепер фізика вивчає кварки – суб'ядерні частинки і проникає глибше в мікросвіт.

Усі ці дослідження найтіснішим чином пов'язані з розумінням природи часу. Важливе значення для науки і майбутньої технології мають такі властивості часу, як його уповільнення поблизу нейтронних зірок, зупинка в "чорних дірах" і "вихлюпування" в білих, можливість "перетворення" часу в простір і навпаки.

Кожен знає, що простір Всесвіту тривимірний. Це значить, що в нього с довжина, ширина і висота. Так само в усіх тіл. Або ще: положення точки може бути задано трьома числами – координатами. Якщо в просторі проводити прямі лінії чи площини або креслити складні криві, то їхні властивості будуть описуватися законами геометрії. Ці закони були відомі давним-давно, підсумовані ще в III ст. до н. е. Евклідом. Саме евклідова геометрія вивчається в школі як стрункий ряд аксіом і теорем, що описують усі властивості фігур, ліній, поверхонь.

Якщо ми захочемо вивчати не тільки місцезнаходження, але й процеси, що відбуваються в тривимірному просторі, то повинні включити ще час. Подія, що відбувається в якій-небудь точці, характеризується положенням точки, тобто заданням трьох її координат і ще четвертим числом – моментом часу, коли ця подія відбулася. Момент часу для події – це її четверта координата. От у цьому смислі й говорять, що наш світ чотиривимірний. Ці факти, звичайно, відомі давно.

Але чому ж раніше, до створення теорії відносності, таке формулювання про чотиривимірність не розглядалося як серйозне і таке, що несе нові знання? Уся справа в тому, що дуже вже різний вигляд мали властивості простору і часу. Коли ми говоримо тільки про простір, то уявляємо собі застиглу картину, на якій тіла чи геометричні фігури ніби зафіксовані у певний момент. А час нестримно біжить (і завжди від минулого до майбутнього), і тіла для зображення цього можуть "змінювати місця". На відміну від простору, у якому три виміри, час одновимірний. І хоча ще стародавні вчені порівнювали час із прямою лінією, це здавалося усього лише наочним образом, який не має глибокого змісту.

Картина різко змінилася після відкриття теорії відносності. У 1908 році німецький математик Г. Минковський, розвиваючи ідеї цієї теорії, заявив: "Відтепер простір сам по собі і час сам по собі повинні стати фікціями і лише деякий вид поєднання обох ще повинен зберегти самостійність". Що мав на увазі Г. Минковський, висловлюючись так рішуче і категорично? Він хотів підкреслити дві обставини. Перша–це відносність проміжків часу і просторових довжин, їхня залежність від вибору системи відліку. Друга, вона і є головною у його висловленні, – це те, що простір і час тісно пов'язані між собою. Вони, власне кажучи, виявляються як різні сторони деякої єдиної сутності – чотиривимірного простору-часу. От цього тісного єднання, нерозривності і не знала доенштейнівська фізика. У чому воно виявляється?

Насамперед, просторові відстані можна визначати, вимірюючи час, необхідний світлу чи взагалі будь-яким електромагнітним хвилям для проходження вимірюваної відстані. Це відомий метод радіолокації. Дуже важливо при цьому, що швидкість будь-яких електромагнітних хвиль зовсім не залежить ні від руху їхнього джерела, ні від руху тіла, що відбивало ці хвилі, і завжди дорівнює с (с – швидкість світла у вакуумі, приблизно дорівнює 300 000 км/сек). Тому відстань одержуємо просто множенням постійної швидкості с на час проходження електромагнітного сигналу.

До теорії Ейнштейна не знали, що швидкість світла постійна, і думали, що так просто робити при вимірюванні відстаней не можна. Звичайно, можна робити і навпаки, тобто вимірювати час світловим сигналом, що пробігає відому відстань. Якщо, наприклад, змусити світловий сигнал бігати, відбиваючись між двома дзеркалами, рознесеними на три метри одне від одного, то кожен пробіг буде тривати одну стомільйонну частку секунди. Скільки разів пробіг цей своєрідний світловий маятник між дзеркалами, стільки стомільйонних часток секунди пройшло.

Важливий прояв єдності простору і часу полягає в тому, що із зростанням швидкості тіла плин часу на ньому сповільнюється в точній відповідності зі зменшенням його поздовжніх (за напрямком руху) розмірів. Завдяки такій точній відповідності з двох величин – відстані в просторі між якими-небудь двома подіями і проміжку часу, що їх поділяє, простим розрахунком можна одержати величину, що постійна для всіх спостерігачів, як би вони не рухалися, і ніяк не залежить від швидкості будь-яких "лабораторій". Ця величина відіграє роль відстані в чотиривимірному просторі-часі.

Простір-час і є те "об'єднання" простору і часу, про яке говорив Г. Минковський. Уявити таке формальне приєднання часу до простору, мабуть, неважко. Набагато складніше наочно уявити собі чотиривимірний світ. Дивуватися труднощам не доводиться. Коли ми в школі малюємо плоскі геометричні фігури на аркуші паперу, то звичайно не відчуваємо ніяких утруднень у зображенні цих фігур: вони двомірні (мають тільки довжину і ширину). Набагато складніше зображувати тривимірні фігури в просторі – піраміди, конуси, площини, що перерізають їх, і т. д. Що стосується зображення чотиривимірних фігур, то іноді це дуже важко навіть для фахівців, які все життя працюють з теорією відносності.

Так, відомий англійський фізик-теоретик, найбільший фахівець у теорії відносності Стівен Хокінг говорить: "Неможливо уявити чотиривимірний простір. Мені самому важко уявити фігури у тривимірному просторі!". Тому людині, що відчуває труднощі з уявленням чотиривимірності, засмучуватися не треба.

Але фахівці з успіхом використовують поняття простору-часу. Так у просторі-часі можна лінією зображувати рух якого-небудь тіла, якщо по горизонтальній осі (осі абсцис) зобразити відстань у просторі по одному напрямку, а по вертикальній (осі ординат) – відкласти час. Для кожного моменту часу відзначаємо положення тіла. Якщо воно залишається в нашій "лабораторії", тобто його розташування не міняється, то це на нашому графіку зобразиться вертикальною лінією. Якщо тіло рухається з постійною швидкістю – ми одержимо похилу пряму. При довільних рухах виходить крива лінія. Така лінія одержала назву світової лінії. У загальному випадку треба уявити, що тіло може рухатися не тільки в одному напрямку, але і в інших двох у просторі теж. Його світова лінія буде зображувати еволюцію тіла в чотиривимірному просторі-часі.

Здійснено спробу показати, що простір і час виступають нібито зовсім рівноправно. їхні значення просто відкладені на різних осях. Але все-таки між простором і часом є істотна різниця: у просторі можна знаходитися нерухомим, у часі – не можна. Світова лінія тіла у спокої зображується вертикально. Тіло ніби захоплюється потоком часу нагору, навіть якщо воно не рухається в просторі. І так це відбувається з усіма тілами; їхні світові лінії не можуть зупинитися, обірватися в якийсь момент часу, адже час не зупиняється. Поки тіло існує, безупинно продовжується і його світова лінія. Як ми бачимо, нічого містичного в уявленнях фізиків про чотиривимірний простір-час немає. А. Ейнштейн якось зазначив: "Містичний трепет охоплює нематематика, коли він чує про "чотиривимірне", – почуття, подібне до почуття, яке вселяється театральним привидом. Проте немає нічого банальнішого від фрази, що світ, населений нами, є чотиривимірна просторово-часова безперервність".

Звичайно, до нового поняття треба звикнути. Однак незалежно від здатності до наочних уявлень фізики-теоретики використовують поняття про чотиривимірний світ як робочий інструмент для своїх розрахунків, оперуючи світовими лініями тіл, обчислюючи їхню довжину, точки перетину і так далі. Вони розвивають у цьому чотиривимірному світі чотиривимірну геометрію, подібну до геометрії Евкліда. На честь Г. Минковського чотиривимірний світ називають простором-часом Минковського.

Після створення в 1905 р. теорії відносності А. Ейнштейн протягом десяти років завзято працював над проблемою – як поєднати свою теорію з ньютонівським законом всесвітнього тяжіння. Закон тяжіння в тому вигляді, як його сформулював І. Ньютон, несумісний з теорією відносності. Справді, відповідно до твердження Ньютона сила, з якою одне тіло притягує інше, обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Тому, якщо тіло, яке притягує, зрушиться, відстань між тілами зміниться і це миттєво позначиться на силі притягання, що впливає на притягуване тіло. Таким чином, за Ньютоном, тяжіння миттєво передасться крізь простір. Але теорія відносності стверджує, що цього бути не може. Швидкість передачі будь-якої сили, будь-якого впливу не може перевищувати швидкість світла, і тяжіння не може передаватися миттєво!

У 1915 р. Ейнштейн завершив створення нової теорії, що поєднала теорії відносності і тяжіння. Він назвав її загальною теорією відносності. Після цього ту теорію, яку Ейнштейн створив у 1905 р. і яка не розглядала тяжіння, стали називати спеціальною теорією відносності. Теорія тяжіння Ейнштейна стверджує, що тяжіючі тіла викривляють навколо себе чотиривимірний простір-час. Важко наочно уявити собі простий простір-час, а ще складніше це зробити, коли він ще й скривлений. Але для математика чи фізика-теоретика і немає потреби в наочних уявленнях. Для них скривлення означає зміну геометричних властивостей фігур або тіл. Наприклад, якщо на площині відношення довжини кола до його діаметра дорівнює 2П, то на скривленій поверхні чи в "кривому" просторі це не так. Геометричні співвідношення там відрізняються від співвідношень у геометрії Евкліда. І фахівцю досить знати закони "кривої" геометрії, щоб оперувати в такому незвичайному просторі.

Той факт, що чотиривимірний простір може бути скривленим, теоретично було відкрито на початку XIX ст. російським математиком М. Лобачевським і в той же час угорським математиком Я. Больяй. У середині XIX ст. німецький геометр Б. Ріман став розглядати "скривлені" простори не тільки з трьома вимірами, але й чотиривимірні і взагалі з будь-яким числом вимірів. З тієї пори геометрію скривленого простору стали називати неевклідовою. Першовідкривачі неевклідової геометрії не знали, у яких конкретно умовах може проявитися їхня геометрія, хоча окремі здогади про це висловлювали. Створений ними і їхніми послідовниками математичний апарат було використано при формулюванні загальної теорії відносності.

Отже, відповідно до основної ідеї А. Ейнштейна, тяжіючі маси викривляють навколо себе простір-час. Простір впливає на матерію, "вказуючи" їй, як рухатися. Матерія, у свою чергу, робить зворотну дію на простір, "вказуючи" йому, як викривлятися. У цьому поясненні все незвичайно – і скривлений чотиривимірний простір-час, який не можна зобразити наочно, і незвичайність пояснення сили тяжіння геометричними причинами. Фізика тут уперше прямо пов'язується з геометрією.

Такі були успіхи фізики, і чим ближче ми підходимо до нашої епохи, тим незвичайнішими стають її відкриття, а поняття все менш піддаються наочному зображенню. І нічого не поробиш! Природа складна, і якщо ми проникаємо все глибше в її таємниці, то доводиться миритися з тим, що це вимагає все більших зусиль, у тому числі і від нашої уяви. Напевно, слово "миритися" не дуже тут годиться, скоріше треба підкреслити, що стає все цікавіше, хоч і складніше.

Після створення своєї теорії Ейнштейн вказав на ефект, що стосується часу. Теорія Ейнштейна передбачає: у сильному полі тяжіння час спливає повільніше, ніж поза ним. Це означає, наприклад, що будь-який годинник біля поверхні Сонця йде повільніше, ніж на поверхні Землі, тому що тяжіння Сонця більше, ніж тяжіння Землі. З аналогічної причини годинник на деякій висоті над поверхнею Землі йде трохи швидше, ніж на самій поверхні.

У 1968 р. американський фізик І. Шапіро виміряв уповільнення часу біля поверхні Сонця дуже оригінальним методом. Він проводив радіолокацію Меркурія, коли той, рухаючись навколо Сонця, знаходився від нього з протилежної сторони стосовно Землі. Радіолокаційний промінь проходив поблизу поверхні Сонця, і через уповільнення йому було потрібно ледь більше часу на проходження туди і назад, ніж на покриття такої ж відстані, коли Меркурій знаходився далі від Сонця. Ця затримка (близько десятитисячної частки секунди) дійсно була зафіксована й виміряна.

Отже, не може бути ніякого сумніву в уповільненні спливання часу в гравітаційному полі. У більшості досліджених випадків зміна надзвичайно мала, але астрономи і фізики знають ситуації, коли різниця у плині часу колосальна.